Universität zu Köln

Göllner, Katharina (2006). Genetic variation of powdery mildew resistance in Arabidopsis thaliana. PhD thesis, Universität zu Köln.

Preview

PDF Dissertation_Katharina_Goellner.pdf Download (3MB)

Abstract

In interactions between beneficial or pathogenic microbes and host organisms, particular host proteins, referred to as compatibility factors, are considered to be essential for the establishment of compatibility. Induced resistance of the dicot plant Arabidopsis thaliana to powdery mildew fungi based on the lack of compatibility factors has been previously shown in the pmr mutants in the Col-0 ecotype. With respect to natural resistance of Arabidopsis to powdery mildews, only resistance mediated by the unusual resistance (R) gene RPW8 was identified in different accessions. In this study, an approach based on natural variation was conducted to analyze powdery mildew resistance in A. thaliana with an emphasis on the identification of new compatibility factors. To this end, loci mediating resistance were mapped in accessions, in which resistance to the compatible powdery mildew Golovinomyces orontii was likely due to a defect in a compatibility factor (i.e. these accessions showing monogenic and recessively or semi-dominantly inherited resistance). In six accessions, the resistance locus was mapped to the lower arm of chromosome III. In other ecotypes analyzed, resistance was likely to be of polygenic origin. The occurrence of only few accessions selected for putative dominantly inherited resistance mediated by prototypical R-genes indicated that this type of resistance to powdery mildews is probably very rare if not non-existent in A. thaliana. The results of allelism tests between resistant accessions yielded an unexpectedly high percentage of susceptible plants in the F2 progeny, a contradiction to the expected segregation of either two either identical or closely linked genes. It was suggested that this phenomenon could either reflect epistatic effects or be the consequence of pairing between two homologous epialleles (paramutation). A comparative microscopic analysis of resistance in selected accessions revealed differences in timing and strength of defense responses in the plant; either due to different loci responsible for resistance or owing to different genetic backgrounds. In general, resistance to G. orontii was characterized by a reduced production of fungal conidiophores on the leaf surface, pronounced cell death, callose deposition and hydrogen peroxide accumulation, but only in some accessions by reduced host cell entry and retarded hyphal growth. Fine mapping of resistance in segregating F2 populations via mapping populations and analysis of recombinant inbred lines allowed a restriction of the putative target gene region, within which several candidate genes were analyzed. One of these genes was RPW8, an atypical R-gene. Based on results from dsRNAi-mediated RPW8 transcript depletion, RPW8 was proposed to be responsible for resistance to G. orontii in accessions Bu-0, Co-3, Do-0, Ei-4, Ei-5, Kas-1, Nok-3, Ob-0 and Sha. The observed recessive or semi-dominant inheritance of resistance indicated a dosage-dependent effect of RPW8-mediated resistance. Sequence analysis of the conceptual RPW8 protein in several accessions revealed a region of high variability between the predicted transmembrane and coiled-coil domains. It is suggested that powdery mildew resistance in A. thaliana appears to be either of polygenic origin or due to RPW8.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Genetische Variabilität der Mehltauresistenz in Arabidopsis thaliana German
Translated abstract:	Abstract Language In Interaktionen zwischen nützlichen und pathogenen Mikroben und deren Wirtsorganismen sind spezielle Wirtsproteine, sogenannte Kompatibilitäts-faktoren, essenziell für die Entstehung von Kompatibilität. Mehltau-Resistenz durch defekte Kompatibilitätsfaktoren in der dikotylen Pflanze Arabidopsis thaliana wurde bereits in den pmr Mutanten induziert. Früheren Studien zeigen, dass natürlich auftretende Mehltau-Resistenz in mehreren Ökotypen durch den RPW8 Locus vermittelt wird. Dabei handelt es sich um atypische Resistenz (R)-Gene für Breitsprektrumresistenz, die bereits in aus verschiedenen Arabidopsis-Ökotypen isoliert wurden. Dieses Projekt beschäftigt sich mit der Identifizierung neuer Kompatibilitätsfaktoren mit Hilfe der natürlichen Variation von Mehltau-Resistenz in Arabidopsis. Es wurden Ökotypen selektiert, in denen die Resistenz monogen und rezessiv bzw. semi-dominant vererbt wird. Mit Hilfe von Kreuzungen und einer RIL Population konnten die Resistenz-vermittelnden Loci aus sechs Ökotypen auf dem unteren Arm von Chromosom III lokalisiert werden. In anderen Ökotypen ist diese Eigenschaft wahrscheinlich polygen vererbt. Parallel wurde eine Selektion für dominante Resistenz, vermittelt durch prototypische R-Gene, durchgeführt. Diese ergab jedoch, dass dieser Typ von Resistenz in Arabidopsis entweder sehr selten oder nicht vorhanden ist. Es wurden Allelismus-Tests durchgeführt um zu bestimmen, ob es sich in den oben erwähnten sechs Ökotypen um denselben Resistenz-vermittelnden Locus handelt. In F2-Populationen dieser Kreuzungen erhielt man eine unerwartet hohe Anzahl an anfälligen Individuen, was im Widerspruch zur Erwartung für zwei identische oder eng gekoppelte Loci steht. Es wurde angenommen, dass dieses Phänomen entweder durch epistatische Effekte oder durch die Folgen der Paarung homologer Epiallele (Paramutation) entstanden ist. Weiterhin wurde die Resistenz in ausgewählten Ökotypen mikroskopisch charakterisiert. Dabei wurden Unterschiede in der Verteidigungsantwort beobachtet, die entweder dafür sprechen, dass die Resistenz durch verschiedene Loci hervorgerufen wird oder dass die verschiedenen genetischen Hintergründe für die unterschiedliche Ausprägung verantwortlich sind. Im Allgemeinen war die Resistenz durch eine reduzierte Produktion von Konidiophoren des Pathogens, sowie von ausgeprägtem Zelltod, Einlagerung von Kallose und Ansammlung von Wasserstoffperoxid in der Pflanze gekennzeichnet. Feinkartierung der Resistenz-vermittelnden Loci ergab eine Zielregion, aus der mehrere Kandidatengene analysiert wurden. Der bereits erwähnte RPW8-Locus war eines davon. Für dieses Kandidatengen wurde in den Ökotypen Bu-0, Co-3, Do-0, Ei-4, Ei-5, Kas-1, Nok-3, Ob-0 und Sha gezeigt, dass die Reduktion von RPW8-Transkripten mittels dsRNAi in Anfälligkeit resultiert. Die unterschiedlichen Ausprägungen von Resistenz in diesen Ökotypen bestätigen den Dosis-abhängigen Mechanismus, der für RPW8 vermutet wurde. Weiterhin konnte durch Sequenzanalyse der angenommenen RPW8 Proteinsequenzen von verschiedenen Ökotypen ein Bereich von hoher Variabilität zwischen der Transmembran- und der Coiled-Coil-Domäne identifiziert werden. Insgesamt scheint Mehltau-Resistenz in Arabidopsis entweder von polygener Natur zu sein, oder sie wird, wie hier ebenfalls gezeigt, durch die RPW8-Region vermittelt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Göllner, Katharina kagoellner@gmx.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-18886
Date:	2006
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Mehltau, Arabidopsis, RPW8, Natürliche Variabilität, Resistenz German powdery mildew, RPW8, natural variation, Arabidopsis, resistance English
Date of oral exam:	29 October 2006
Referee:	Name Academic Title Schulze-Lefert, Paul Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1888