Universität zu Köln

Molecular components of PAMP-triggered oxidative burst in plant immunity

Mersmann, Sophia (2009) Molecular components of PAMP-triggered oxidative burst in plant immunity. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Reactive oxygen species (ROS) are important molecules that are rapidly generated in response to abiotic and biotic stimuli and which regulate diverse physiological processes such as stomatal aperture and cell death. Plant immunity involves the detection of pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) through cognate pattern recognition receptors (PRRs). Perception of PAMPs induces an extracellular oxidative burst, which requires the function of the NADPH oxidase AtRbohD. However, little is known about the regulation of PAMP-elicited ROS and its role in plant PAMP-triggered immunity. We investigated ROS production mediated by the FLS2 receptor kinase responsible for the detection of bacterial flagellin (flg22) in Arabidopsis to elucidate components of early flg22 signaling. Rboh proteins are assumed to predominantly mediate extracellular ROS production in plants. We observed AtRbohD to be rate limiting for flg22-elicited ROS production. Moreover, bacterial multiplication monitored at early stages of infection with a disarmed but pathogenic Pseudomonas syringae strain indicated ROS accumulation important for plant immunity. A forward genetic screen led to the isolation of rio1 to rio5 mutants, all of which were severely reduced in flg22-induced ROS production. Rio1, rio2 and rio3 carry mutations in FLS2 and its co-receptor BAK1, respectively. The responsible gene mutations of rio4 and rio5 remain to be identified in a subsequent mapping approach. A candidate gene approach revealed that flg22-stimulated oxidative burst was specifically inhibited in ethylene signaling mutants. Impaired ROS production in etr1 and ein2 mutants could be partially rescued by chemical interference with ethylene accumulation. Notably, wounding partially complemented the ROS reduced phenotype. Furthermore, accumulation of FLS2 but not BAK1 was in part dependent on ethylene signaling. Bacterial multiplication at early time points was significantly enhanced in ethylene signaling mutants indicating the importance of PAMP-triggered ROS production in plant defence responses.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Reaktive Sauerstoff Spezies (ROS), deren Generierung durch abiotische und biotische Stimuli initiiert wird, sind für die Regulierung diverser physiologische Prozesse wichtige Moleküle, wie zum Beispiel der Öffnung von Stomata oder dem Zelltod. Die pflanzliche Immunität basiert auf der Erkennung von Pathogen assoziierten molekularen Mustern (PAMPs) durch Muster Erkennungs Rezeptoren (PRRs). Die Perzeption von PAMPs elizitiert einen extrazellulären oxidative Burst, der die Funktion der NADPH Oxidase AtRbohD erfordert. Bisher ist wenig über die Regulierung PAMP-induzierten ROS, sowie dessen Rolle in der planzlichen Immunität bekannt. Die Rezeptor Kinase FLS2 perzeptiert und bindet bakterielles Flagellin (flg22) und vermittelt dadurch die Produktion von ROS. In dieser Arbeit untersuchen wir die FLS2 induzierte ROS Generierung, um Komponenten, die diese Signaltransduktion vermitteln, zu finden. Die Produktion extrazellulären ROS wird hauptsächlich durch Rboh Oxidasen bewerkstellingt und zeigt die Wichtigkeit dieser Proteine. Unsere Untersuchung ergab, dass AtRbohD die limitierende Oxidase für den flg22-vermittelen oxidativen Burst ist. Überdies deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass ROS, welche durch AtRbohD generiert werden, entscheidend zur pflanzlichen Immunität beitragen, da die bakterielle Multiplikationsrate eines abgeschwächt pathogenen Pseudomonas Stammes in frühen Zeitpunkten der Infektion signifikant erhöht ist. Mittels einer genetischen Untersuchung konnten wir die Mutanten rio1 bis rio5 isolieren, die alle eine Reduktion der ROS Produktion aufweisen. Weitere Untersuchungen ergaben, dass rio1, rio2 und rio3 Mutationen in entweder FLS2 oder dessen Korezeptor BAK1 tragen. Die Gene, die die Mutationen aufweisen, welche für die Phänotypen von rio4 und rio5 verantwortlich sind, konnten bisher nicht identifiziert werden. Das deutet darauf hin, dass rio4 und rio5 neue Komponenten der Signaltransduktion repräsentieren. Weitere genetische Verfahren sind erforderlich, um die Identität der betroffenen Gene zu analysieren. In einem weiteren genetischen Ansatz mit bisher bekannten Mutanten konnten solche, die Ethylen insensitiv sind, als reduziert in der flg22-vermittelten ROS Produktion gefunden werden. Die Verminderung der ROS Generierung in etr1 und ein2 Mutanten konnte teilweise durch Ethylen-Biosynthese Inhibitoren aufgehoben werden. Interessanterweise wurde die Reduktion der ROS Generierung in verwundeten Blättern der etr1 und ein2 Mutanten nicht beobachtet. Die Akkumulierung von FLS2 aber nicht von BAK1 war anteilig von der Ethylen Signaltransduktion abhängig. Die bakterielle Multiplikationsrate in frühen Zeitpunkten der Infektion war in etr1 und ein2 Mutanten erhöht. Das impliziert die Relevanz der PAMP-vermittelter ROS Produktion in der pflanzlichen Immunität.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Mersmann, Sophiamersmann@mpiz-koeln.mpg.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-29257
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    FLS2, PAMP, ROS, EthyleneEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > MPI für Züchtungsforschung
    Language: English
    Date: 2009
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 19 October 2009
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 07 Jan 2010 09:29:50
    Referee
    NameAcademic Title
    Schulze-Lefert, PaulProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2925

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