The function of MLO, a negative regulator of defence, is conserved in monocot and dicot plants

Consonni, Chiara (2005). The function of MLO, a negative regulator of defence, is conserved in monocot and dicot plants. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Host cell entry is a critical step during pathogenesis of many microbial pathogens including animal pathogenic bacteria and fungal parasites of plants. Some microbes exploit human chemokine G-protein coupled receptors (GPCRs) to enter host cells. Barley MLO, the prototype of a plant-specific protein family, exhibits a topology and subcellular localisation that is reminiscent of GPCRs. Mutations in barley MLO confer resistance against all known isolates of the powdery mildew fungus, Blumeria gramis f. sp. hordei (Bgh), suggesting that MLO function might be exploited for pathogenesis by the fungal parasite. The cytosolic calcium sensor calmodulin was previously identified as a protein interacting with MLO in vivo and was shown to enhance mlo-mediated susceptibility in planta. To identify further proteins that physically interact with A. thaliana MLO isoforms, the yeast split-ubiquitin system was employed. This revealed calmodulin as a common interactor of MLO proteins and identified four additional candidate interactors. To unravel their potential function in defence modulation, barley homologues of the selected candidate genes were tested by transient expression in single barley epidermal cells. However, neither dsRNAi-mediated gene silencing nor overexpression revealed a significant effect on Bgh penetration success in either wild-type (MLO) or mutant (mlo) genotypes. Recently, a gene required for mlo-mediated resistance (ROR2) in barley was found to encode a plasma membrane-resident syntaxin protein. In addition, a genetic screen to identify A. thaliana mutants enabling enhanced entry of the inappropriate Bgh fungus led to the identification of PEN1. The gene was shown to encode a syntaxin that is functionally homologous to barley ROR2. In this study, A. thaliana MLO proteins were demonstrated to interact with a subset of syntaxins in the yeast split-ubiquitin system. To date, it was unclear whether durable broad-spectrum mlo-mediated resistance is a feature restricted to the monocot barley. In this study, A. thaliana insertion mutants of the candidate ortholog of barley MLO, AtMLO2, were isolated and found to be resistant against the powdery mildew fungus Golovinomyces orontii. In addition, Atmlo2 mutants exhibit enhanced resistance to inappropriate powdery mildew fungi. In contrast, infection phenotypes to bacterial or oomycete pathogens appeared unaltered. These results indicate that MLO function is evolutionarily conserved in both monocot and dicot plant species. It is therefore possible that the ability of powdery mildew fungi to target specific MLO isoforms for entry into plant cells was invented at least 200 million years ago.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Die Funktion von MLO, einem negativen Regulator der Immunantwort, ist konserviert in monokotylen und dikotylen Pflanzen	German

Translated abstract:

Abstract

Language

Der Eintritt in die Wirtszelle stellt eine kritische Phase während der Pathogenese vieler mikrobieller Krankheitserreger inklusive tierpathogener Bakterien und pilzlicher Pathogene von Pflanzen dar. Einige Mikroben können humane Chemokinrezeptoren, die zur Klasse der G-Protein gekoppelten Rezeptoren gehören, ausnutzen um Eintritt in ihre jeweiligen Wirtszellen zu erlangen. Das MLO-Protein aus Gerste ist der Prototyp einer pflanzenspezifischen Proteinfamilie und weist eine Topologie und subzelluläre Lokalisation auf, die an G-Protein gekoppelte Rezeptoren erinnert. Mutationen im Mlo-Gen der Gerste vermitteln Resistenz gegen alle bekannten Isolate des Mehltaupilzes, Blumeria graminis f. sp. hordei (Bgh), was darauf hinweist, dass die Funktion des MLO-Proteins möglicherweise für die Pathogenese durch den pilzlichen Parasiten ausgenutzt wird. In vorangegangenen Experimenten war der cytosolische Calcium-Sensor Calmodulin als ein Protein das in vivo mit MLO interagiert und in planta die MLO-vermittelte Suszeptibilität erhöht identifiziert worden. Um weitere Proteine zu ermitteln, die physisch mit A. thaliana MLO-Isoformen interagieren, wurde das Hefe �split-ubiquitin�-System angewendet. Dies führte zur Identifizierung von Calmodulin als gemeinsamer Interaktor von MLO-Proteinen und erbrachte zusätzlich vier neue Interaktor-Kandidaten. Um eine mögliche Funktion dieser Kandidaten in der Modulation von Abwehrreaktionen zu überprüfen wurden Gerste-Homologe der ausgewählten Kandidaten-Gene mittels transienter Expression in Einzelzellen der Blattepidermis der Gerste getestet. Jedoch führten weder dsRNAi-vermitteltes Gen �silencing� noch Überexpression zu signifikanten Veränderungen der Bgh-Penetrationseffizienz in Wildtyp- (Mlo) oder Mutanten-Genotypen (mlo). Vor kurzem wurde gezeigt, dass ein Gen das für mlo-vermittelte Resistenz in Gerste notwendig ist (Ror2) ein Plasmamembran-lokalisiertes Syntaxin codiert. Zusätzlich wurde in einem genetischen screen zur Identifizierung von A. thaliana-Mutanten mit erhöhter Penetrationsrate gegenüber dem unpassenden Bgh-Mehltaupilz das Pen1-Gen gefunden, welches ein funktionales Homolog des Gerste ROR2-Proteins codiert. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass A. thaliana MLO-Proteine mit einer Syntaxin-Untergruppe im Hefe �split-ubiquitin�-System interagieren können, was darauf hindeutet, dass diese Syntaxine eine weitere Klasse von generellen MLO-Interaktoren darstellen. Bis heute war es unklar, ob dauerhafte mlo-vermittelte Breitspektrum-Resistenz nur in Gerste vorkommt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass Arabidopsis Insertionsmutanten im nächstverwandten Homolog des Mlo-Gens aus Gerste, AtMLO2, resistent gegen den Mehltauerreger Golovinomyces orontii sind und eine erhöhte Penetrationsresistenz gegenüber unpassenden Mehltaupilzen aufweisen. Im Gegensatz hierzu erscheinen die Infektionsphänotypen der Atmlo2-Mutante gegenüber bakteriellen Pathogenen oder Oomyceten unverändert. Darüber hinaus zeigt die Atmlo2-Mutante ähnliche pleiotrope Effekte wie mlo-Mutanten der Gerste, nämlich spontane Callose-Depositionen und einen deregulierten Zelltod von Mesphyllzellen. Diese Resultate zeigen, dass die Funktion des MLO-Proteins in monokotylen und dikotylen Pflanzen evolutionär konserviert ist.

German

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