Charakterisierung der Nichtwirt-Interaktion zwischen Gerste und Pilzen der Gattung Magnaporthe

Zellerhoff, Nina; Slusarenko, Alan

doi:910015642

Charakterisierung der Nichtwirt-Interaktion zwischen Gerste und Pilzen der Gattung Magnaporthe = Characterisation of the nonhost-interaction of barley and fungi of the genus Magnaporthe

Zellerhoff, Nina (Author)

2009 & 2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Nina Zellerhoff

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangVII, 209 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Prüfungsjahr: 2009. - Publikationsjahr: 2010

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Slusarenko, Alan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-07-03

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-30242
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51533/files/Zellerhoff_Nina.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Gerste (Genormte SW) ; Resistenz (Genormte SW) ; Phytopathologie (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Nichtwirt-Interaktion (frei) ; Magnaporthe (frei) ; Nichtwirt-Resistenz (frei) ; Macroarray (frei) ; nonhost interaction (frei) ; nonhost resistance (frei) ; macroarray (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Die Resistenz einer Pflanzenart gegen alle Isolate einer Pathogenart wird als Nichtwirt-Resistenz (NWR) bezeichnet. Diese dauerhafte Form der Resistenz schützt Pflanzen gegen den Großteil aller potentiellen Pathogene. In der vorliegenden Arbeit wurde die Nichtwirt-Interaktion der Nutzpflanze Gerste gegenüber Isolaten der Pilzgattung Magnaporthe charakterisiert und mit der Wirt-Interaktion verglichen. Zunächst wurde die Fähigkeit verschiedener Pilze der Gattung Magnaporthe Gerste zu infizieren untersucht und die Verwandtschaftsverhältnisse dieser Isolate, die von unterschiedlichen Gräsern isoliert wurden, bestimmt. Pilzisolate, die auf Gerste Krankheitssymptome verursachen konnten (Wirt-Interaktion), gehörten der Art M. oryzae an. Dagegen wurden Isolate, die sich auf Gerste nicht reproduzieren konnten (Nichtwirt-Interaktion), in Abhängigkeit von ihren Wirtpflanzen der Art M. grisea (Wirtpflanze Digitaria) bzw. einer putativen neuen Art zugeordnet, die mit der Wirtpflanze Pennisetum assoziiert ist. Bei vergleichenden cytologischen Analysen wurden Papillen (Penetrationsresistenz) und hypersensitive Reaktionen der Epidermis (Postpenetrationsresistenz) als vorherrschende Abwehrreaktionen der Nichtwirt-Interaktion identifiziert. Auffälligerweise traten diese Reaktionen in der Nichtwirt- im Gegensatz zur Wirt-Interaktion verstärkt zum Zeitpunkt 24 h p.i. auf. Obwohl die Penetrationsresistenz der Gerste durch den Einsatz der Inhibitoren AIP und Cytochalasin sowie durch Verwendung der Gerstenmutante mlo-5 ror1-2 rar1-2 deutlich reduziert werden konnte, wurde das Nichtwirt-Pathogen in allen Fällen in der Epidermis gestoppt und konnte keine sekundären Infektionshyphen ausbilden. Dies veranschaulicht die Effektivität epidermaler Resistenzmechanismen in der untersuchten Nichtwirt-Interaktion. In Macroarray-Analysen infizierter Gerstenepidermis fiel eine sehr frühe (6 h p.i.) und sehr starke Regulation der Genexpression in der Nichtwirt-Interaktion im Vergleich zur Wirt-Interaktion auf. Insbesondere die Expression von Genen des Lipidmetabolismus, speziell von Genen, die für Lipid Transfer Proteine kodieren, wurde nach Inokulation mit dem Nichtwirt-Pathogen überrepräsentativ häufig induziert. Zur funktionellen Analyse induzierter Gene der Nichtwirt-Interaktion wurde die Virus-induced Gene Silencing Technologie für das System Gerste/Magnaporthe etabliert. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse weisen auf Übereinstimmungen zwischen der NWR und der basalen Resistenz von Gerste gegenüber Pilzen der Gattung Magnaporthe hin. So scheint Gerste auf eine Infektion mit Nichtwirt- und Wirt-Pathogenen generell mit einem ähnlichen Spektrum an Abwehrmechanismen zu reagieren. Die Aktivierung dieser Abwehrmaschinerie erfolgt allerdings in der Nichtwirt-Interaktion wesentlich früher und effizienter als in der Wirt-Interaktion. Dies könnte auf einer frühzeitigen Erkennung spezifischer Effektormoleküle der Nichtwirt-Isolate durch die Gerste basieren. Dagegen könnte eine Suppression der pflanzlichen Resistenz durch Effektoren der Wirt-Pathogene das verspätete Auftreten von Abwehrreaktionen im Fall der Wirt-Interaktion erklären. Bemerkenswerterweise konnten in vergleichenden Transkriptomanalysen verschiedener Nichtwirt-Interaktionen der Gerste (Gerste/Magnaporthe, Gerste/Echter Mehltau, Gerste/Rost) keine Gene gefunden werden, die gleichzeitig in allen drei Nichtwirt-Inter¬aktionen differentiell reguliert wurden. Diese Resultate weisen auf eine spezifische Umprogrammierung des Pflanzenstoffwechsels in Abhängigkeit des angreifenden Nichtwirt-Pathogens hin. In weiteren Untersuchungen wurde die Bedeutung des Gens Rom1, dessen Mutation die Resistenz anfälliger Mla12 rar1-2 Rom1 (rar1-2)-Gerstenpflanzen gegen den Echten Gerstenmehltau Bgh wiederherstellt, für die Interaktion Gerste/Magnaporthe analysiert. Pflanzen des Genotyps Mla12 rar1-2 rom1 (rom1) bildeten nach M. oryzae-Infektion wesentlich mehr aber kleinere Krankheitssymptome aus als Wildtyp und rar1-2-Pflanzen. Rom1 und Rar1 konnten demnach als Antagonisten der epidermalen Abwehr und der Abwehr im Mesophyll identifiziert werden. Nach Inokulation mit dem Magnaporthe Nichtwirt-Pathogen zeigten rom1-Pflanzen eine im Vergleich zu Wildtyp- und rar1-2-Pflanzen erhöhte Akkumulation PR1b-spezifischer Transkripte. Dies weist auf eine gesteigerte Responsivität der rom1-Pflanzen hin. Darüber hinaus wurde der Einfluss des Gens Rac1, dessen Überexpression zu einer Hyperanfälligkeit der Gerste gegenüber Bgh führt, bezüglich M. oryzae untersucht. Hierbei konnte in makro- und mikroskopischen Analysen eine gesteigerte Resistenz von Rac1-Überexpressionslinien gegen M. oryzae mit einer erhöhten Penetrationsabwehr der Pflanzen korreliert werden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen weisen auf einen Einfluss von Rom1 und Rac1 auf die Basalresistenz und im Fall von Rom1 auf die NWR von Gerste gegen verschiedene Pathogene hin.

Nonhost-resistance (NHR) is the resistance shown by a plant species towards all isolates of a pathogen species. This durable type of resistance protects plants against the majority of potential pathogens. In this thesis the nonhost-interaction between barley and isolates of the fungal genus Magnaporthe was analysed and compared to the host-interaction. Magnaporthe was isolated from different host plants, and the different isolates were examined for their biological relationship to one another and for their capacity to infect barley. It was shown that all isolates which were able to cause disease symptoms on barley (host-interaction) belong to the species M. oryzae. In contrast, M. grisea isolates (host: Digitaria) and isolates of a putative novel species which is associated with the host Pennisetum could not reproduce on barley (nonhost-interaction). Comparative cytological analyses showed that formation of papillae (penetration resistance) and hypersensitive epidermal cell death (postpenetration resistance) were predominant nonhost-defense mechanisms. These reactions were apparent by 24 h p.i. at higher frequencies in the nonhost-interaction than in the host-interaction. It was possible to significantly reduce the penetration resistance of barley by treatments with AIP (an inhibitor of phenylalanine ammonia lyase) and cytochalasin E (an inhibitor of actin-polymerisation). Similarly, penetration resistance was reduced in the barley mutant mlo-5 ror1-2 rar1-2. However, growth of the nonhost-pathogen was arrested in epidermal cells in all cases and the pathogen was never able to generate secondary hyphae. These results underpin the effectiveness of epidermal defence in this nonhost-interaction. Complementary-DNA macroarray-analysis of inoculated barley-epidermis showed a very early (6 h p.i.) and pronounced change in the pattern of gene-expression in the nonhost-interaction as compared to the host-interaction. Particularly, the expression of genes involved in lipid metabolism was induced significantly after inoculation with the nonhost-pathogen. For functional analysis of these candidate genes virus-induced gene silencing technology (VIGS) was established for the barley/Magnaporthe-interaction. Results presented here indicate similarities between the NHR and basal resistance of barley towards fungi of the genus Magnaporthe. In general, barley responds to pathogen attack with a similar spectrum of defence mechanisms in nonhost- or host-interactions, but activation of these defences occurs earlier and more efficiently in the nonhost- than in the host-interaction. This phenomenon might depend on an early recognition of nonhost-specific effector molecules by barley. In contrast, the suppression of plant defence by effectors of host-pathogens might be responsible for the delayed defence in the host-interaction. Remarkably, a comparative transcriptome-analysis of three different nonhost-interactions of barley (barley/Magnaporthe, barley/powdery mildew, barley/rust) revealed no genes which were regulated in a similar manner in all interactions. These results point to a pathogen-specific reprogramming of the plant metabolism in nonhost-interactions. During further investigations the significance of the Rom1 gene for the interaction of barley with different species of the genus Magnaporthe was analysed. The mutation in Rom1 restores the resistance of susceptible Mla12 rar1-2 Rom1 (rar1-2) barley against the powdery mildew fungus Bgh. Remarkably, after infection with M. oryzae, plants of the genotype Mla12 rar1-2 rom1 (rom1) showed more but smaller disease symptoms than wildtype and rar1-2-plants. Thus, Rom1 and Rar1 appear to act antagonistically in epidermal and mesophyll defence scenarios. Moreover, rom1-plants showed a higher accumulation of PR1b-specific transcripts after inoculation with the Magnaporthe nonhost-pathogen in comparison to wildtype and rar1-2-plants. This may argue for an augmented responsiveness of rom1-plants. Furthermore, the influence of the gene Rac1, whose overexpression is known to cause hypersusceptibility of barley to Bgh, was investigated in the barley/M. oryzae interaction. In macro- and microscopical analyses a correlation between increased resistance of Rac1-overexpression lines against M. oryzae and augmented penetration resistance was observed. These results point to an influence of Rom1 and Rac1 on basal resistance and, in the case of Rom1, on the NHR of barley against different pathogens.

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