Gene expression profiling leading to identification of essential components in EDS1/PAD4-regulated plant defence

Bartsch, Michael (2005). Gene expression profiling leading to identification of essential components in EDS1/PAD4-regulated plant defence. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Plants possess multiple mechanisms to detect pathogen attack and protect themselves against colonisation. The antagonistic interplay of positive and negative regulators allows the plant to spacially and temporarily control defence responses. EDS1 (Enhanced Disease Susceptibility1) and PAD4 (Phytoalexin Deficient4) encode lipase-like proteins that positively regulate plant basal resistance to virulent pathogens. Additionally, EDS1 and PAD4 are recruited by resistance (R) genes of the TIR-NBS-LRR but not of the CC-NBS-LRR type in R gene-mediated resistance. Previous experiments demonstrated that EDS1 and PAD4 are required for accumulation of salicylic acid (SA), a phenolic signal in defence to biotrophic pathogens. Recent findings suggest that EDS1 and PAD4 promote defence also independently of SA. This as yet uncharacterised EDS1/PAD4-controlled pathway is important for full expression of local R gene-triggered and basal resistance as well as for systemic immunity. To identify components involved specifically in EDS1/PAD4-controlled signalling, transcriptional profiles of Arabidopsis thaliana wild-type, eds1 and pad4 mutant plants were examined during early R gene-mediated defence using whole-genome oligonucleotide microarrays. In wild-type, the inoculation with strains of the bacterial plant pathogen, Pseudomonas syringae pv. tomato, expressing either avrRpm1 (avr1; recognised by a CC-NBS-LRR-type R protein) or avrRps4 (avr4; recognised by a TIR-NBS-LRR-type R protein) triggered transcriptional changes in a similar set of genes but with different kinetics. Sets of genes with EDS1- and PAD4-dependent expression in healthy, avr1- or avr4-challenged leaves were identified. For a subset of these genes, corresponding insertional mutants were isolated and tested for alterations in pathogen resistance. The mutant screen resulted in the identification of a flavin-dependent monooxygenase (FMO) as a positive regulator and two sequence-related NUDIX (nucleoside diphosphates linked to some other moiety x) hydrolases as negative regulators of plant disease resistance. This study demonstrates for the first time that FMOs and NUDIX hydrolases can modulate host defence responses against pathogens in any biological system. The findings presented here support the view that EDS1 and PAD4 control the expression of both positive and negative regulators as a mean to fine-tune plant immune responses.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated abstract:

Abstract

Language

Pflanzen besitzen vielfältige Detektions- und Abwehrmechanismen, die sie gegen einen Pathogenangriff schützen. Dabei erlaubt das antagonistische Zusammenwirken von positiven und negativen Regulatoren der Pflanze ihre Abwehrmaßnahmen zeitlich und räumlich zu steuern. EDS1 (Enhanced Disease Susceptibility1) und PAD4 (Phytoalexin Deficient4) kodieren Proteine mit Homologie zu eukaryotischen Lipasen und sind positive Regulatoren der pflanzlichen basalen Resistenz gegen virulente Pathogene. Ferner erfordert auch die durch Resistenzproteine (R) der TIR-NBS-LRR-Klasse (aber nicht der CC-NBS-LRR-Klasse) vermittelte Abwehrreaktion gegen avirulente Pathogene EDS1 und PAD4. Beide Proteine werden sowohl bei basaler als auch TIR-NBS-LRR vermittelter Resistenz für die Akkumulation der phenolischen Signalsubstanz Salizylat (SA) benötigt. Dennoch gibt es Hinweise auf eine SA-unabhängige Signalfunktion von EDS1 und PAD4, welche für eine effektive lokale als auch systemische Abwehrreaktion essentiell ist. Um Komponenten dieses EDS1/PAD4-abhängigen Signalweges zur identifizieren, wurde während der frühen Phase der R-Gen vermittelten Pathogenabwehr eine vergleichende Transkriptionsanalyse mittels Oligonukleotid-Mikroarrays zwischen Arabidopsis thaliana Wildtyp und den Mutanten eds1 und pad4 durchgeführt. In Wildtyp-Pflanzen führten Inokulationen mit isogenen Stämmen des bakteriellen Pflanzenpathogens Pseudomonas syringae pv. tomato, welche die Avirulenzproteine avrRpm1 (avr1; detektiert von CC-NBS-LRR R-Protein RPM1) bzw. avrRps4 (avr4; detektiert von TIR-NBS-LRR R-Protein RPS4) exprimieren, zur Induktion bzw. Repression von ähnlichen Gengruppen, allerdings mit unterschiedlicher Kinetik. Weiterhin wurden Gengruppen mit einer EDS1/PAD4-abhängigen Expression im unbehandelten Zustand und nach Pathogenbehandlung mit avr1 oder avr4 identifiziert. Für einige dieser Kandidatengene wurden Insertionsmutanten isoliert und auf Veränderung ihrer Pathogenresistenz untersucht. Die Phenotypisierung der Insertionsmutanten führte zur Identifizierung einer Flavin-abhängigen Monooxygenase (FMO) als positiven Regulator und zweier NUDIX- (nucleoside diphosphates linked to some other moiety x) Hydrolasen als negative Regulatoren pflanzlicher Abwehrreaktionen. Die vorliegende Arbeit zeigt erstmalig, dass FMOs und NUDIX-Hydrolasen des Wirtes dessen Abwehrmaßnahmen gegen Pathogene modulieren können. Des Weiteren konnte dargelegt werden, dass EDS1 und PAD4 die Expression von positiven sowie von negativen Regulatoren steuern und damit zur Feinregulierung von pflanzlicher Pathogenabwehr beitragen.

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