Universität zu Köln

Birker, Doris H. (2008). Determinants of compatibility between Arabidopsis and the hemibiotroph Colletotrichum higginsianum. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Plant disease susceptibility is determined by complex interactions between plant and pathogen factors, resulting in co-evolution of a host plant species and its adapted pathogen. Previously, there has been major scientific interest in plant resistance that counteracts pathogen attack. In contrast, mechanisms of plant susceptibility are poorly understood. The aim of this study was to identify genetic determinants of dominant susceptibility of Arabidopsis thaliana to the hemibiotrophic ascomycete Colletotrichum higginsianum. Two different approaches were used, both based on the hypothesis that if an essential host susceptibility factor is not present or not functional, the plant will not support infection by the fungus. In the first approach, a forward genetics screen was conducted to identify mutants that had lost susceptibility due to chemically induced mutations in essential host susceptibility factors. Screening of 207,000 EMS Arabidopsis mutants in highly susceptible genetic backgrounds identified 35 candidates with reduced susceptibility to C. higginsianum. However, the reduction was not sufficiently clear-cut to allow identification of the mutated locus through positional cloning. The C. higginsianum infection phenotypes of available downy mildew resistant (dmr) and powdery mildew resistant (pmr) mutants were also analysed. Loss of susceptibility to C. higginsianum by specific dmr and pmr mutant lines indicated that pathogens share some common mechanisms of disease development. In the second approach, analysis of 116 Arabidopsis accessions from diverse geographic origins revealed considerable natural variation in response to C. higginsianum inoculation. Different modes of inheritance of resistance were identified by crossing resistant accessions to the highly susceptible Ler-0 accession and following segregation, and by quantitative trait loci (QTL) analysis of recombinant inbred line (RIL) populations. It was assumed that accessions lacking an essential dominant susceptibility factor would show monogenic recessively inherited resistance. Alternatively, recessive resistance could be due to the presence of a recessive resistance (R) gene. To select for recessive resistance, accessions that had susceptible F1 progenies and F2 progenies segregating 3:1 (susceptible : resistant) were characterised further. A single recessive locus was shown to confer resistance in the accessions Ws-0, Gifu-2 and Can-0. The same locus was identified by QTL analysis in the Ler-0 x Kondara RIL population. Positional cloning in a Ler-0 x Ws-0 F2 mapping population located this recessive resistance locus to the lower arm of chromosome V between the molecular markers �236� (18,307,842 bp) and �312� (18,407,860 bp). Twenty candidate genes within the mapping interval, including six TIR (Toll-Interleukin 1 receptor) type NBS-LRR (Nucleotide Binding Site�Leucine Rich Repeats) genes, were analysed to determine whether this locus encodes a dominant susceptibility factor, or alternatively, a recessive R gene. Natural variation was also characterised cytologically. This revealed differences between resistant and susceptible accessions at an early stage in the penetration efficiency of the pathogen, or in the establishment of biotrophic primary hyphae, with no indications of involvement of host callose deposition or accumulation of reactive oxygen species in recessive resistance mechanisms.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Kompatibilitätsdeterminanten zwischen Arabidopsis und Colletotrichum higginsianum German
Translated abstract:	Abstract Language Krankheiten von Pflanzen werden durch komplexe Interaktionen zwischen Kompatibilitätsfaktoren von Pathogenen und deren Wirten bestimmt, wodurch es zur Koevolution zwischen einer Pflanzenart und einem adaptierten Pathogen kommt. In früheren Studien lag der Fokus auf der Erforschung von Abwehrmechanismen gegen Pathogenbefall. Nur wenig ist bisher über Suszeptibilität von Pflanzen bekannt. Thema dieser Arbeit war die Identifizierung von genetischen Komponenten für dominante Suszeptibilität von Arabidopsis thaliana gegenüber dem hemibiotrophen Ascomyceten Colletotrichum higginsianum. Dafür wurden zwei verschiedene experimentelle Ansätze durchgeführt, die beide auf der Hypothese basierten, dass die Pflanze gegenüber dem Pilz resistent ist, wenn ein essentieller pflanzlicher Suszeptibilitätsfaktor entweder nicht vorhanden, oder nicht funktionell ist. Der erste Ansatz zielte auf die Identifizierung von Arabidopsis Mutanten deren Suszeptibilität durch chemisch induzierte Mutationen in Suszeptibiliätsfaktoren reduziert wurde. Bei einer Musterung von 207.000 Mutanten wurden 35 Kandidatenpflanzen mit verringerter Suszeptibilität gegenüber C. higginsianum identifiziert. Diese Reduktion war jedoch nicht eindeutig genug für eine positionelle Klonierung des mutierten Genlokus. Des Weiteren wurden die Phänotypen von �downy mildew resistant� (pmr) und �powdery mildew resistant� (dmr) Mutanten nach Inokulierung mit C. higginsianum analysiert. Die dabei identifizierte Reduktion der Suszeptibilität bestimmter dmr und pmr Mutantenlinien weisten auf gemeinsame Mechanismen der Pathogenese zwischen C. higginsianum und Hyaloperonospora parasitica bzw. Golovinomyces cichoracearum hin. In einem zweiten experimentellen Ansatz wurde durch die Analyse von 116 Arabidopsis Ökotypen verschiedenen geographischen Ursprungs natürliche Variation in der Resistenz gegenüber C. higginsianum identifiziert. Mit Hilfe von Kreuzungen von resistenten Ökotypen mit dem suszeptiblen Ökotyp Ler-0, und der Analyse von Genloci für quantitativ vererbten Merkmalen (quantitative trait loci, QTL) in rekombinanten Inzuchtlinien (RIL) konnte monogene dominante, monogene rezessive und polygene Vererbung der Resistenz ermittelt werden. Dabei wurde von der Arbeitshypothese ausgegangen, dass Ökotypen, denen ein essentieller und dominanter Suszeptibilitätsfaktor durch natürliche Variation fehlt, monogene rezessive Vererbung der Resistenz aufweisen. Alternativ könnte rezessive Resistenz auch durch ein rezessives Resistenzgen (R-Gen) vermittelt werden. In dieser Arbeit wurde ein Genlokus identifiziert, der rezessive Resistenz in den Ökotypen Ws-0, Gifu-2 und Can-0 vermittelt. Dieser Genlokus wurde auch durch QTL-Analyse einer Ler-0 x Kondara RIL-Population ermittelt. Positionelle Klonierung in einer Ler-0 x Ws-0 F2 Kartierungs-Population lokalisierte die Position dieses rezessiven Resistenz-vermittelnden Genokus auf dem unteren Arm des Chromosoms V zwischen der Position der molekularen Marker �236� (18.307.842 Bp) und �312� (18.407.860 Bp). Zwanzig Kandidatengene, einschließlich sechs TIR (Toll-Interleukin 1) Typ NBS-LRR (Nucleotide Binding Site-Leucine Rich Repeats) Gene, wurden analysiert, um zu bestimmen, ob dieser Genlokus einen dominanten Suszeptibilitätsfaktor, oder alternativ ein rezessives R-Gen kodiert. Weiterhin wurde die natürliche Variation in der Resistenz gegenüber C. higginsianum zytologisch charakterisiert. Es wurden Unterschiede zwischen resistenten und suszeptiblen Ökotypen beobachtet, die dafür sprechen, dass für Resistenz entweder eine verringerte Invasionsrate, oder ein inhibiertes biotrophes Hyphenwachstum von C. higginsianum verantwortlich ist. Dabei gab es keine Hinweise auf eine Beteilung von Kalloseeinlagerung und Ansammlung von Wasserstoffperoxid an rezessiven Resistenzmechanismen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Birker, Doris H. birker@mpiz-koeln.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-25726
Date:	2008
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, Colletotrichum higginsianum, Hemibiotroph, Suszeptibilität, natürliche Variation, Resistenz German Arabidopsis, Colletotrichum higginsianum, hemibiotroph, susceptibility, natural variation, resistance English
Date of oral exam:	19 October 2008
Referee:	Name Academic Title Schulze-Lefert, Paul Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2572