Universität zu Köln

Dittgen, Jan (2005). Genetische Analyse der Nichtwirtsresistenz gegenüber biotrophen Mehltaupilzen in Arabidopsis thaliana. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Pflanzen sind während ihres Lebenszyklus einer Vielzahl von potenziellen Pathogenen ausgesetzt. Jedoch sind nur wenige Pathogenarten bzw. Isolate einer Pathogenart in der Lage, eine Pflanzenart zu befallen und sich zu vermehren. Ist eine Pflanzenart resistent gegenüber allen bekannten Isolaten einer Pathogenart, so wird dies als Nichtwirtsresistenz bezeichnet. Eine solche Pflanzenart ist kein natürlicher Wirt für das Pathogen. Arabidopsis thaliana ist ein Nichtwirt für die biotrophen Mehltaupilze Blumeria graminis und Erysiphe pisi. Die natürlichen Wirte dieser Pathogene sind Gräser bzw. Erbsenpflanzen. Morphologische Merkmale und Daten zur molekularen Phylogenie weisen darauf hin, daß E. pisi im Gegensatz zu B. graminis nahe mit einer auf Arabidopsis virulenten Mehltauart (Erysiphe cruciferarum) verwandt ist. In vorangegangenen mutationsanalytischen Studien der Nichtwirtsresistenz in Arabidopsis konnten erstmals Mutanten mit veränderten Infektionstypen gegenüber B. graminis f.sp. hordei (Bgh) identifiziert werden (Collins et al., 2003). Mutanten der PEN1, PEN2 und PEN3-Loci erlauben eine erhöhte Invasionsrate mit nachfolgender Ausbildung eines Ernährungsorgans (Haustorium) in Blattepidermiszellen. Die weitere Pathogenese wird durch eine posthaustorielle Resistenzreaktion unterbunden, die mit einer Zelltodreaktion korreliert. Ziel dieser Arbeit war es, genetische Komponenten zu identifizieren, welche zur posthaustoriellen Nichtwirtsresistenz gegenüber Bgh und E. pisi beitragen. Dabei wurde von der Arbeitshypothese ausgegangen, daß die posthaustorielle Nichtwirtsresistenz möglicherweise auf Resistenzfaktoren beruht, die auch gegen Wirtspathogene wirksam sind. Durch systematische Einkreuzung einer Vielzahl beschriebener Defektallele in pen2-Mutanten konnten EDS1 und dessen sequenzverwandte Interaktionspartner PAD4 und SAG101 als zentrale Komponenten der posthaustoriellen Nichtwirtsresistenz identifiziert werden. Während in eds1, pad4 oder sag101-Mutanten der Infektionstyp mit Bgh nur leicht verändert ist, konnte in pad4 sag101-Doppelmutanten die Bildung seltener Bgh-Mikrokolonien beobachtet werden, deren Häufigkeit in pen2 pad4 sag101-Tripelmutanten ungefähr verdoppelt ist. Dies ist ein Hinweis auf eine genetische Redundanz von PAD4 und SAG101 und zeigt, daß PEN2 und PAD4/SAG101 vermutlich Komponenten unterschiedlicher Resistenzmechanismen sind. In wenigen Bgh-Mikrokolonien wurde zudem Konidienbildung beobachtet. Dies belegt, daß Arabidopsis ein potenzieller Wirt für Bgh ist. In der Nichtwirtsresistenz gegenüber E. pisi ist eine akkumulative Wirkung des Ausfalls von PEN2 und PAD4 oder EDS1 zu beobachten. Auf pen2 pad4, pen2 eds1 und pad4 sag101-Doppelmutanten kommt es häufig zur Sporulation von E. pisi. Im Vergleich zur Nichtwirtsinteraktion mit Bgh ist das Wachstum von E. pisi auf den getesteten Einzel-, Doppel- und Tripelmutanten deutlich erhöht. Diese quantitativen Unterschiede korrelieren mit der engen phylogenetischen Verwandschaft zwischen E. pisi und Wirtspathogenen von Arabidopsis. In einem weiteren, hypothesenfreien experimentellen Ansatz wurden pen2-Mutanten remutagenisiert und mehrere Linien mit verändertem Infektionstyp isoliert. In einer dieser Doppelmutanten ist vermehrtes epiphytisches Hyphenwachstum von Bgh und E. pisi zu beobachten. Dabei scheint in der Doppelmutante die erhöhte Anfälligkeit zumindest gegenüber Bgh auf einer Störung der posthaustoriellen Resistenz zu beruhen. Die Ergebnisse beider experimenteller Ansätze sprechen für ein mehrstufiges Modell der Nichtwirtsresistenz, in dem mindestens zwei genetisch und räumlich trennbare Resistenzfunktionen überwunden werden müssen, um Arabidopsis zu einem Wirt für Bgh und E. pisi zu machen. In diesem Modell wirken PEN1, PEN2 und PEN3 an der Zelloberfläche, während EDS1, PAD4 und SAG101 und weitere Faktoren an der Vermittlung der posthaustoriellen Resistenz beteiligt sind.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Genetic dissection of non-host resistance to biotrophic powdery mildew fungi in Arabidopsis thaliana English
Translated abstract:	Abstract Language Plants are constantly exposed to a large number of potential pathogens. However, in nature only few pathogen species or isolates of a pathogen species colonize a single plant species. Resistance of an entire plant species to all isolates of a pathogen species is called �non-host resistance�. Arabidopsis thaliana is a non-host for the biotrophic powdery mildew fungi, Blumeria graminis and Erysiphe pisi, which are natural hosts of grasses and pea plants, respectively. Morphological characters and molecular phylogeny studies indicate that E. pisi, unlike B. graminis, is closely related to Erysiphe cichoracearum, a powdery mildew species that is virulent on Arabidopsis. In previous mutant screens, several Arabidopsis lines were identified that are partially susceptible to B. graminis f.sp. hordei (Bgh) (Collins et al., 2003). Mutations in the PEN1, PEN2, or PEN3 loci each permit increased fungal entry of Bgh into attacked leaf epidermal cells, leading to the differentiation of a fungal feeding organ (haustorium). Further pathogenesis is terminated by a post-haustorial resistance response that is tightly linked with a cell death reaction. This study aimed at the identification of genetic components required for post-haustorial non-host resistance to the inappropriate powdery mildews Bgh and E. pisi. I hypothesized that post-haustorial non-host resistance might depend on resistance factors that are also effective against host pathogens. By systematic introgression of known defense response mutants in a pen2 mutant background, EDS1 and its sequence-related interaction partners PAD4 and SAG101 were identified as central components of post-haustorial non-host resistance. Whereas eds1, pad4 or sag101 mutants displayed only minor changes of Bgh infection phenotypes, pad4 sag101 double mutants allowed the formation of rare Bgh microcolonies, whose frequency is approximately doubled in pen2 pad4 sag101 triple mutants. This indicates that PAD4 and SAG101 are genetically redundant and suggests that PEN2 and PAD4/SAG101 are presumably components of two independent resistance mechanisms. Importantly, few of the detected Bgh microcolonies supported conidiospore formation (completion of asexual lifecycle), thereby showing that Arabidopsis is indeed a potential host for Bgh. A cumulative effect of loss-of-function mutations in PEN2 and PAD4 or EDS1 was observed in the non-host interaction with E. pisi. On pen2 pad4, pen2 eds1, and pad4 sag101 double mutants, sporulation of E. pisi was frequently detected. Interestingly, all tested single, double, and triple mutant combinations permitted more epiphytic fungal growth of E. pisi in comparison to Bgh. These quantitative growth differences correlate with the close phylogenetic relationship of E. pisi and host powdery mildews of Arabidopsis. The genetic basis of non-host resistance to E. pisi and Bgh was also tested by re-mutagenesis of pen2 mutants and a search for double mutants with altered infection phenotypes to the inappropriate pathogens. One of the isolated double mutants supports enhanced epiphytic growth of both Bgh and E. pisi. The increased susceptibility of this line to Bgh appears to be based on defects in post-haustorial resistance. Collectively, data generated by both experimental approaches indicate the existence of at least two genetically and spatially separable resistance layers that are active in non-host resistance. In this model, PEN1, PEN2, and PEN3 act at the cell periphery, whereas EDS1, PAD4, SAG101, and further components mediate post-haustorial resistance to E. pisi and Bgh. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Dittgen, Jan dittgen@mpiz-koeln.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-15458
Date:	2005
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Nichtwirtsresistenz , Arabidopsis , Mehltau , B. graminis , E. pisi German non-host resistance , Arabidopsis , powdery mildew , B. graminis , E. pisi 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/1545