Universität zu Köln

Wiermer, Marcel (2005). Molecular and spatial characterisation of Arabidopsis EDS1 defence regulatory complexes. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In plants, cellular innate immune responses are indispensable for defence against pathogens. Arabidopsis EDS1 (Enhanced Disease Susceptibility 1) and PAD4 (Phytoalexin Deficient 4) are essential regulators of basal resistance to virulent pathogens, controlling defence amplification and accumulation of the signalling molecule salicylic acid (SA). Also, EDS1 is necessary for Resistance (R) protein-triggered programmed cell death to avirulent pathogen isolates conditioned by the TIR (Toll-Interleukin-1 Receptor) class of nucleotide-binding/leucine-rich-repeat (NB-LRR) immune receptor. Complete loss of TIR-NB-LRR mediated resistance and its associated cell death programme in Arabidopsis eds1 mutants and partial disabling of the same resistances in pad4 suggested a mechanism in which TIR-type NB-LRR proteins engage EDS1 early in the defence cascade that connects the recognition process to basal defences, requiring both EDS1 and PAD4. Consistent with such a cooperative role, EDS1 and PAD4 interact in Arabidopsis soluble leaf extracts. EDS1 and PAD4 have homology to eukaryotic lipases in their N-terminal halves and share a domain of high sequence homology (the EP domain) in their C-termini with one other plant lipase-like protein, SAG101 (Senescence Associated Gene 101) that was recently identified as part of an EDS1 complex in leaf soluble extracts. However, the nature of this association and whether SAG101 signals in plant innate immunity was not known. The work presented here shows that SAG101 interacts directly with EDS1 inside the nucleus of Arabidopsis cells and, together with PAD4, contributes intrinsic and indispensable signalling activity to the EDS1 defence pathway in resistance and programmed cell death triggered by TIR-type R proteins and in expression of basal defences. The EDS1-SAG101 complex is molecularly and spatially distinct from EDS1-EDS1 homomeric interactions that occur in the cytosol but not in the nucleus. SAG101 possesses a defence regulatory function that is partially redundant with PAD4. Loss of SAG101 can be compensated for by the presence of PAD4. Single null sag101 mutant alleles had no effect on plant disease resistance but combining sag101 with a null pad4 mutation disabled resistance as fully as eds1. Restriction of SAG101 to the nucleus may account for its inability to fully complement loss of PAD4 that co-localises with EDS1 in the cytosol and the nucleus. These new findings demonstrate that all three proteins are important regulators of innate immunity and point to a complex nucleo-cytoplasmic dynamic between EDS1 and its signalling partners that may be important for plant defence signal relay.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Zelluläre Immunantworten sind bei Pflanzen unabdingbar für eine erfolgreiche Pathogenabwehr. EDS1 (Enhanced Disease Susceptibility 1) und PAD4 (Phytoalexin Deficient 4) spielen hierbei eine essentielle Rolle in der basalen Resistenz gegenüber virulenten Pathogenen in Arabidopsis, indem sie Verteidigungssignale potenzieren sowie die Akkumulation des Signalmoleküls Salizylsäure fördern. EDS1 ist zudem unerlässlich für die Etablierung des programmierten Zelltods, der nach der Erkennung von avirulenten Pathogenen durch intrazelluläre TIR-NB-LRR (Toll Interleukin 1 Receptor/ nucleotide-binding / leucine-rich-repeat) Resistenzproteine (R) ausgelöst wird. Der Verlust von TIR-NB-LRR-vermittelter Krankheitsresistenz und des damit assoziierten Zelltod Programms in eds1- sowie der partielle Resistenzverlust in pad4-Mutanten, lassen auf einen Verteidigungsmechanismus schließen, bei dem EDS1 eine "frühe" Signalfunktion übernimmt und dabei den Erkennungsprozess mit basalen Abwehrmechanismen verknüpft, die ihrerseits sowohl EDS1 als auch PAD4 benötigen. In Übereinstimmung mit einer solch kooperativen Rolle von EDS1 und PAD4 hat sich gezeigt, dass EDS1 und PAD4 in löslichen Proteinextrakten miteinander interagieren. Aminosäuresequenzanalysen haben ferner ergeben, dass sowohl EDS1 als auch PAD4 in ihrer N-terminalen Hälfte Sequenzhomologie zu eukaryotischen Lipasen aufweisen. Zudem besitzen beide Proteine im C-terminalen Bereich eine Domäne hoher Sequenzhomologie, die sie mit SAG101 (Senescence Associated Gene 101), einem weiteren Lipase-ähnlichen Protein, teilen. Letzteres wurde kürzlich als Komponente eines EDS1-Komplexes in löslichen Proteinextrakten identifiziert. Bis zum jetzigen Zeitpunkt war jedoch weder etwas über die molekulare Beschaffenheit dieses Komplexes noch über eine mögliche Rolle von SAG101 in der pflanzlichen Pathogenabwehr bekannt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte mittels in planta FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer)-Studien und Immunoblot-Analysen gezeigt werden, dass es sich bei der EDS1-SAG101 Assoziation um eine direkte Interaktion zwischen diesen beiden Proteinen im Zellkern handelt. Zusammen mit PAD4 steuert SAG101 eine Signalfunktion bei, die sowohl für den TIR-NB-LRR Immunrezeptor-vermittelten Zelltod und die daraus resultierende Resistenz gegenüber avirulenten Pathogenen als auch für basale Resistenzmechanismen gegenüber virulenten Pathogenen unentbehrlich ist. Die Funktion von SAG101 ist partiell redundant zu der von PAD4. Der Verlust von SAG101 führt zu keiner erhöhten Krankheitsanfälligkeit, pad4/sag101-Doppelmutanten sind jedoch genauso anfällig gegenüber virulenten und avirulenten Pathogenen wie eds1-Mutanten. Während PAD4 den Verlust von SAG101 kompensieren kann, ist SAG101 umgekehrt dazu nicht in der Lage, was möglicherweise auf die unterschiedliche subzelluläre Lokalisation dieser beiden Proteine zurückzuführen ist. SAG101 ist ausschließlich im Zellkern lokalisiert, hingegen zeigen PAD4 und EDS1 eine Co-Lokalisation sowohl im Zellkern als auch im Cytosol. Im Rahmen dieser Arbeit konnte außerdem gezeigt werden, dass EDS1-Homodimere zwar im Cytosol, im Gegensatz zur EDS1-SAG101 Interaktion jedoch nicht im Zellkern nachweisbar sind. Die dargestellten Ergebnisse zeigen, dass EDS1, PAD4 und SAG101 unerläßliche Komponenten der zellulären Immunantwort bei Pflanzen sind. Die Ergebnisse deuten des weiteren auf eine komplexe nukleo-cytoplasmatische Dynamik zwischen EDS1 und dessen Interaktionspartnern hin, die essentiell für pflanzliche Verteidigungsmachanismen gegenüber Pathogenen sein könnte. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Wiermer, Marcel wiermer@mpiz-koeln.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-15249
Date:	2005
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Arabidopsis innate immunity , EDS1 , PAD4 , SAG101 , nuclear and cytosolic defence complexes English
Date of oral exam:	3 July 2005
Referee:	Name Academic Title Schulze-Lefert, Paul Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1524