Analysis of the Arabidopsis Nudix hydrolase NUDT7 as a modulator of plant immunity and cell death

Straus, Marco (2009). Analysis of the Arabidopsis Nudix hydrolase NUDT7 as a modulator of plant immunity and cell death. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Plants are exposed to diverse biotic and abiotic stresses and have evolved sophisticated protective mechanisms. A major outstanding question is how plants respond effectively to a stress stimulus but limit their reaction to save energy for growth and reproduction. EDS1 (ENHANCED DISEASE SUSCEPTIBILITY 1) encodes a nucleo-cytoplasmic regulator of plant basal defence against host-adapted virulent pathogens and race-specific resistance to avirulent pathogens mediated by TIR (Toll-Interleukin)-type NBS-LRR (Nucleotide Binding Site-Leucine Rich Repeats) Resistance (R) proteins. EDS1 also functions in reactive oxygen species (ROS)-induced signalling during photo-oxidative stress. R protein activation of EDS1 signalling typically results in accumulation of the phenolic stress hormone salicylic acid (SA), generation of ROS, localized programmed cell death (PCD) (the hypersensitive response (HR)) and restriction of pathogen growth. Arabidopsis nudix hydrolase NUDT7 was identified as a negative component of the EDS1 defence and cell death pathway. Nudt7 null mutants display enhanced basal resistance, elevated levels of SA, retarded growth and spontaneous initiation, but not spread, of leaf cell death. Genetic epistasis analysis showed that all of the nud7 defects require EDS1. The work presented here characterizes further the genetic relationship between NUDT7 and EDS1 and molecular functions of NUDT7 in EDS1 stress signalling. EDS1 and NUDT7 genes are responsive to multitude of abiotic and biotic stresses. Inspection of NUDT7 protein revealed a cytosolic localization in healthy and stress-induced leaf tissue. While the nudt7 mutation enhances EDS1 transcript accumulation, EDS1 acts principally at the level of NUDT7 protein accumulation although a direct interaction between EDS1 and NUDT7 was not observed. Others have reported that nudt7 constitutive disease resistance is due to increased responsiveness to MAMPs (Microbe-Associated Molecular Patterns). In this work it was established using multiple MAMP-triggered read-outs that neither nudt7 not eds1 mutants exhibit an altered MAMP response. Results are consisten with activities of EDS1 and NUDT7 in fine regulation defence and cell death to invasive pathogens. Induction of oxidative stress resulted in severe growth retardation, cell death induction and ROS accumulation in nudt7 that was EDS1-dependent. Oxidative stress-induced cell death in nudt7 was independent of SA while the superoxide-generating NADPH oxidase AtRbohD was required for cell death initiation and ROS (H2O2) accumulation. Gene expression microarray analysis revealed that SA likely regulates ROS homeostasis in nudt7. Together, these data suggest a central role of the EDS1 pathway in modulating chloroplastic ROS signals that promote retardation of growth retardation and cell death initiation.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

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Title	Language
Analyse der Arabidopsis NUDIX Hydrolase NUDT7 als Modulator von Pflanzenimmunität und Zelltod	German

Translated abstract:

Abstract

Language

Pflanzen sind diversen biotischen und abiotischen Stressen ausgesetzt was zur Entwicklung augeklügelter Schutzmechanismen geführt hat. Eine herausragende, offene Frage ist wie Pflanzen effektiv auf Stress Stimuli reagieren aber gleichzeitig die Reaktion regulieren um Resourcen für Wachstum und Reproduktion zu wahren. EDS1 (ENHANCED DISEASE SUSCEPTIBILITY 1) kodiert einen nucleo-cytoplasmatischen Regulator basaler Abwehrmechanismen gegen an den Wirt angepasste Pathogene und rassen-spezifische Resistenz gegen avirulente Pathogene vermittelt durch TIR (Toll-Interleukin) NBS-LRR (Nucleotide Binding Site-Leucine Rich Repeats) Resistenz (R) Proteine. EDS1 ist auch an der Übermittlung von Sauerstoffradikal (reactive oxygen species (ROS))-induzierten Signalen beteiligt, die durch photo-oxidativen Stress generiert werden. R ProteinAktivierung des EDS1 Signallweges resultiert typischerweise in der Akkumulation des phenolischen Stresshormons Salicylsäure (SA), Produktion von ROS, lokalem, programmierten Zelltod (PCD) (hypersensitive response (HR)) und Begrenzung der Pathogenausbreitung. Die Arabidopsis Nudix Hydrolase NUDT7 wurde als negative Komponente des EDS1 Signalweges identifiziert. Nudt7 Null Mutanten zeigen erhöhte basale Resistenz, erhöhte SA Konzentrationen, unterdrücktes Wachstum und spontane Initiierung von Zelltod der sich aber nicht ausbreitet. Genetische Epistasis Experimente haben gezeigt, dass alle nudt7 Defekte EDS1 benötigen. Die hier vorliegende Studie charakterisiert die genetische Beziehung von NUDT7 zu EDS1 and die molekulare Funktion von NUDT7 im EDS1 Signalweg. Die EDS1 und NUDT7 Gene reagieren beide auf eine Vielzahl biotischer und abiotischer Stresse. Eine genauere Betrachtung des NUDT7 Proteins konnte eine cytosolische Lokalisation in gesundem und gestresstem Blattgewebe aufzeigen. Während die nudt7 Mutation zu erhöhten EDS1 Transkriptlevel führt, beeinflusst EDS1 prinzipiell NUDT7 Protein Akumulation obwohl keine direkte Interaktion beider Proteine gefunden werden konnte. Andere Studien haben berichtet, dass konstitutive Resistenz in nudt7 auf eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber MAMPs (Microbe-Associated Molecular Patterns) zurückgeht. Mittels verschiedener MAMP-getriggerter Read-outs konnte in dieser Studie gezeigt werden, dass weder nudt7 noch eds1 eine veränderte MAMP-Antwort zeigen. Die Resultate stehen in Einklang mit den Aktivitäten von EDS1 und NUDT7 bei der Fein-Regulation von Abwehrmechanismen und Zelltodinduktion gegenüber invasiven Pathogenen. Induktion von oxidativem Stress resultierte in EDS1-abhängiger Reduktion des Pflanzenwachstums, Initiierung von Zelltod und Akkumulation von ROS in nudt7. Oxidativer Stress-induzierter Zelltod in nudt7 war unabhängig von SA während die Superoxid-generierende NADPH oxidase AtRbohD für Zelltodinitiierung und ROS (H2O2) Akkumulation benötigt wurde. Microarray Gen Expressionsanalyse legte nahe, dass SA an der Regulierung der Redox Homeostase in nudt7 beteiligt ist. Zusammenfassend legen die hier präsentierten Daten eine zentrale Rolle des EDS1 Signallweges in der Modulierung chloroplastischer ROS Signale nahe, welche zu Wachstumsstörungen und zur Initiierung von Zelltod führt.

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