Kohlen- und Stickstoffmetabolismus Ustilago maydis-infizierter Maispflanzen
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Abstract
Phytopathogens cause yield losses of up to 32% per year, despite intensive crop protection. Biotrophic leaf pathogens usually don’t kill their host, but cause yield losses by competing with the host tissue for carbon and nitrogen assimilates. To this end, biotrophic pathogens reprogramm the host’s metabolism and induce a local sink at the site of infection, which needs to be supplied with assimilates from uninfected, systemic parts of the host plant. The causal agent of corn smut disease, Ustilago maydis, induces tumors on infected plant organs. It is hypothesized that these tumors constitute a ways of generating a strong sink organ. In the framework of this study it was shown that the development of C4 photosynthesis is hampered upon leaf-meristem infection by U. maydis and that the overall photosynthetic rate is reduced in tumors. Infected leaves displayed constantly high contents of hexoses and high invertase activity, which suggests that infection by U. maydis caused retention of the sink status of the leaf and prevented a progression to a fully developed source organ. The carbon flow through the tricarboxylic-acid cycle and the interconversion of amino acids was increased in tumors, which reflects the high metabolic activity of tumor cells. Nitrogen-rich amino acids accumulated in tumors, which indicates high nitrogen availablility, although the primary nitrogen assimilation was reduced in infected leaves. Instead, nitrogen was imported into tumors in organic form from systemic plant organs, which reflects the nitrogen-sink status of the tumor. After U. maydis infection, systemic source leaves seem to obtain a signal that induces the expression of defense-associated genes. Nevertheless, the establishment of the tumor as a strong metabolic sink for carbon and nitrogen increases the productivity of systemic source leaves, which show increased photosynthesis and an increased export of assimilates, if compared to the same leaves of non-infected plants. This higher productivity correlates with a delay in the senescence program, which is most likely achieved by the tumor induction, since infection by U. maydis mutants that colonize maize but do not induce tumors, did not delay senescence in systemic source leaves. The increased export rates of systemic leaves were paralleled by increased expression of amino acid and nitrate transporters in the vascular bundles which may mediate the enhanced loading of the phloem with assimilates. Analysis of a U. maydis nitrogen catabolite repression mutant showed that a GATA-transcription factor with homology to Neurospora crassa NiT2 and Aspergillus nidulans AreA has a similar central role in the regulation of nitrogen utilization, and that U. maydis possesses a second, so far unknown regulator of nitrogen catabolite derepression. UmNiT2 causes the derepression of nitrogen-metabolizing genes under unfavorable nitrogen conditions and regulates the utilization of most nitrogen sources. UmNiT2 also appears to plays a role in filamentous growth of sporidia and is necessary for full virulence on maize leaves.
Abstract
Pflanzenpathogene verursachen jährlich trotz intensiver Schutzmaßnahmen Ertragsverluste von bis zu 32%. Biotrophe Blattpathogene, die ihren Wirt generell nicht töten, verursachen dennoch Ertragseinbußen, indem sie Kohlenstoff- und Stickstoffassimilate vom Wirt aufnehmen und diese somit nicht mehr für das Wachstum der Wirtspflanze zur Verfügung stehen. Diese Pathogene programmieren zu diesem Zweck den Wirtsmetabolismus um und induzieren die Bildung eines lokalen sinks an der Infektionsstelle, welches mit Assimilaten aus nicht-infizierten Pflanzenteilen versorgt wird. Der Maisbeulenbrand-Erreger Ustilago maydis verursacht tumorartiges Wachstum an den infizierten Pflanzenorganen, weshalb hypothetisiert wurde, dass die Tumorinduktion ein probates Mittel zur Erzeugung eines starken sinks darstellt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Kolonisierung von Maisblättern nach Blattmeristeminfektion durch U. maydis die Entwicklung des C4-Syndroms verhinderte und die maximale Photosynthesekapazität in Tumoren verringert war. Dabei wurde durch die Infektion der sink-Status des Blattmeristems beibehalten und die Entwicklung zum source-Blatt verhindert, was sich durch erhöhte Invertaseaktivität und erhöhten Gehalten an löslichen Kohlenhydraten nach der Infektion zeigte. Der Fluss von Kohlenstoff durch den Citratzyklus, sowie der Aminosäureumbau waren in Tumoren erhöht und spiegelten die hohe metabolische Aktivität der Tumorzellen wider. Dadurch akkumlierten stickstoffreiche Aminosäuren, was ein Indiz für die hohe Stickstoffverfügbarkeit im infizierten Gewebe ist. Stickstoff wurde vermehrt in organischer Form aus systemischen source-Blättern importiert, während die primäre Stickstoffassimilation selbst in Tumoren reduziert war. Der Tumor stellt somit auch ein Stickstoff-sink dar. Systemische source-Blätter U. maydis-infizierter Pflanzen scheinen ein Signal zu erhalten, welches die Expression Abwehr-assoziierter Gene induziert. Trotz dieser Abwehrreaktion erhöhte die Etablierung des Tumors als starkes metabolisches sink für Kohlen- und Stickstoffassimilate die Produktivität systemischer source-Blätter, indem die Verzögerung der Blattseneszenz, im Vergleich zu den korrespondierenden Blättern nicht-infizierter Pflanzen, zu erhöhten Photosyntheseraten und vermehrtem Export an Kohlenstoff- und Stickstoffassimilaten führte. Die erhöhte Produktivität war dabei abhängig von der Tumorbildung, da U. maydis-Mutanten, die zwar Mais kolonisieren aber keine Tumore induzieren, die Seneszenz systemischer Blätter nicht verzögerten. Parallel dazu waren in den Leitbündeln systemischer source-Blätter infizierter Pflanzen Aminosäure- und Nitrattransporter stärker exprimiert, was die erhöhte Beladung des Phloems mit Assimilaten erklären kann. Die Analyse einer U. maydis Stickstoffkatabolitrepressions-Mutante zeigte, dass ein zu Neurospora crassa NiT2 und Aspergillus nidulans AreA homologes Protein in U. maydis eine ähnlich zentrale Rolle in der Regulation der Stickstoffverwertung übernimmt, dass jedoch ein zweiter, bisher unbekannter Regulator der Stickstoffkatabolit-Derepression vorhanden sein muss. UmNiT2 bewirkt die Derepression Stickstoff-metabolisierender Gene unter unfavorisierten Stickstoffbedingungen und reguliert damit die Verwertung der meisten Stickstoffquellen. Darüber hinaus scheint UmNiT2 eine Rolle in der Initiierung des filamentösen Wachstums von Sporidien und für die volle Virulenz auf Maisblättern zu spielen.