The molecular basis of symptom formation in Sporisorium reilianum

Zhao, Yulei; Panstruga, Ralph; Schirawski, Jan

doi:34433

The molecular basis of symptom formation in Sporisorium reilianum

Zhao, Yulei

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Yulei Zhao

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

Umfang116 Bl. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schirawski, Jan (Thesis advisor) ; Panstruga, Ralph (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-04-16

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-028213
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/479017/files/479017.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/479017/files/479017.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biowissenschaften, Biologie (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Sporisorium reilianum ist ein biotropher Pilz, der Maispflanzen im Sämlingsstadium befällt, sich zunächst symptomlos in der Pflanze ausbreitet und im Blütengewebe zur Sporenbildung gelangt. Der Ersatz der Maiskörner durch Sporen führt zu großen Verlusten in der Maisproduktion. Frühere Studien zeigten, dass eine Deletion des Genclusters 19A in S. reilianum dessen Virulenz dramatisch reduziert und zum Verwelken von inokulierten Blättern führt. Diese Studie fokussierte sich auf die Identifikation von Effektoren in Cluster 19A, die die Ausbildung der Symptome von S. reilianum beeinflussen. Subdeletionen in Cluster 19A zeigten, dass viele für Effektoren kodierende Gene die Virulenz des Pilzes beeinflussen. Dabei zeigten Deletionen einzelner Gene nur einen geringen Effekt auf die Virulenz des Pilzes, was möglicherweise auf funktionale Redundanz schließen lässt. Die Deletion des Effektorgens vag2 (virulence associated gene 2) führte zu einer signifikanten Reduktion der Sporenbildung und zum vermehrten Auftreten von verwelkten Spitzen infizierter Blätter. Eine Vag2:GFP Fusion konnte die Deletion von vag2 nicht komplementieren. Jedoch konnte GFP-Fluoreszenz ausserhalb der Pilzzelle nachgewiesen werden, was die bioinformatische Vorhersage der Sekretionssignalsequenz stützt. vag2 Deletionsmutanten waren in der Lage, das Blatt und die Kolben der Wirtspflanze zu kolonisieren. Dabei induzierten sie H2O2 Produktion während der Penetration der Zellwand. Durch DNA-Quantifizierung konnte eine Hyperproliferation an der Penetrationsstelle festgestellt werden. Durch Hefe zwei-Hybrid Analysen konnten verschiedene Maisproteine als potentielle Vag2-Interaktionspartner identifiziert werden, darunter Proteine, die an der Pathogenabwehr bzw. am Primärmetabolismus beteiligt sind. Die Interaktion von Vag2 mit der Mais Chorismat mutase (ZmCm2) wurde durch bimolekulare Fluoreszenz-Komplementation in planta bestätigt. ZmCm2 ist an der Produktion von Prephenate aus Chorismat beteiligt, wobei Prephenat als Vorstufe zur Bildung von Salicylsäure (SA) dient. Die Interaktion von Vag2 mit ZmCm2 könnte die Bildung von SA in der Wirtspflanze beeinflussen. Obwohl keine signifikanten Unterschiede in der SA-Konzentrationen in Blättern oder Kolben zwischen mit Wildtyp oder vag2 Deletionsmutanten infizierten Pflanzen gemessen werden konnten, wurde eine Erhöhung der Expression der SA-Indikatorgene PR1 und PR5 detektiert. Der von S. reilianum aus der Pilzhyphe sekretierte Effektor Vag2 könnte in den Zellen der Wirtspflanze Einfluss auf das Hormongleichgewicht haben, was zur Unterdrückung der Abwehrreaktionen der Pflanze und damit zur vollen Virulenz von S. reilianum auf Mais führt.

The fungal pathogen Sporisorium reilianum parasites maize at the seedling stage, then replaces the cob with spores, which causes a huge loss in corn production. Former studies showed that deletion of the gene cluster 19A in S. reilianum dramatically reduces virulence and leads to wilting of inoculated leaves. This study focussed on the identification of effectors in cluster 19A that modulate symptom formation of S. reilianum. Several effector-encoding genes were identified by subdeletion analysis of cluster 19A that affected virulence of the fungus on maize. However, only slight changes in virulence were observed in most single gene deletion mutants, possibly suggesting functional redundancy of effectors in S. reilianum. One effector (vag2, virulence associated gene 2) could be identified whose individual deletion led to a significant reduction in spore formation and an increase in leaf tip death of inoculated maize. Bioinformatic analysis predicted that Vag2 carries a signal pepetide for secretion at the N-terminus. A Vag2:GFP fusion did not complement the vag2 deletion phenotype. However, GFP fluorescence was observed around the fungal cells, indicating that Vag2:GFP may be secreted by the fungus. The vag2 deletion mutants colonized leaves and ears of its host plant, but also induced H2O2 production during penetration, and hyperproliferated at the penetration site. Yeast two-hybrid analysis identified different maize proteins as potential Vag2 interaction partners, including defense response proteins and metabolic enzymes. Interaction of Vag2 with the maize chorismate mutase (ZmCm2) in planta was confirmed by bimolecular fluorescence complementation. ZmCm2 is predicted to function in the production of prephenate from chorismate that is also a precursor for salicylic acid (SA). Interaction of Vag2 with ZmCm2 may alter the SA level in the host. Although no significant differences in SA level of wild-type and vag2 deletion mutant-colonized leaves and ears could be observed, expression of the SA indicator genes PR1 and PR5 was induced in tissues colonized with vag2 deletion strains. Collectively, these data suggest that the S. reilianum effector Vag2 is secreted from fungal hyphae, may enter host cells, and may interfere with the host hormone balance, which suppresses host defense and supports full virulence of S. reilianum on maize.

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