Universität zu Köln

García, Ana Victoria (2009). Intracellular dynamics of Arabidopsis EDS1 immune regulatory complexes. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Plants are resistant to most microbial pathogens due to the presence of an effective and multi-layered defense system. Arabidopsis ENHANCED DISEASE SUSCEPTIBILITY 1 (EDS1) and its interacting partners PHYTOALEXIN DEFICIENT 4 (PAD4) and SENESCENCE ASSOCIATED GENE 101 (SAG101) constitute an important regulatory node in disease resistance. Together they are essential for basal defense against invasive biotrophic and hemi-biotrophic pathogens, programmed cell death conditioned by TIR-type NB-LRR immune receptors and accumulation of the phenolic hormone salicylic acid (SA). It was previously shown that the central component EDS1 forms molecularly and spatially distinct complexes with PAD4 and SAG101 in the cytoplasm and the nucleus of healthy plants. The fate of these complexes during defense responses and the relevance of their distribution were not known. The work presented here shows that no major redistribution of EDS1 occurs at late stages of infection or in immune-deregulated backgrounds since its steady-state levels increase in both the nuclear and cytoplasmic compartments. By contrast, enrichment in nuclear EDS1 was observed during early stages of TIR-NB-LRR mediated responses, suggesting that the nuclear pool of EDS1 has a role in rapid signal relay to this compartment after specific pathogen recognition. Treatment of Arabidopsis protoplasts expressing EDS1-YFP with nuclear export inhibitors revealed that EDS1 is able to shuttle between the nucleus and the cytoplasm, further suggesting a role for EDS1 in relaying important information between both compartments. To gather information about the functional significance of EDS1 distribution and discriminate cytosolic from nuclear functions, I examined whether manipulation of EDS1 localization affects its functionality. Transgenic plants were generated in which a nuclear export signal (NES), the hormone binding domain of the rat glucocorticoid receptor (GR) or a nuclear localization signal (NLS) were attached to a functional EDS1-YFP fusion and expressed in an eds1 null mutant background. EDS1 nuclear exclusion through the presence of the NES or cytosolic tethering by the GR led to reduced basal, TIR-NB-LRR-mediated and systemic resistance. Conversely, allowing nuclear accumulation of EDS1-YFP-GR fusion protein through dexamethasone treatment enhanced resistance. Results also pointed to a role of cytosolic EDS1 in modulating plant cell death that may relate to the balance of reactive oxygen species and SA. Strikingly, constitutive driving of EDS1 to the nucleus by addition of an NLS results in a dose-dependent developmental reprogramming that likely reflects the need for rigorous control of nuclear EDS1 levels. In sum, these studies point to a key nuclear activity of EDS1 complexes in regulating plant immune responses that may link immune receptor activation to gene expression outputs.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Intrazelluläre Dynamik des EDS1-Regulationskomplexes in Arabidopsis Immunität German
Translated abstract:	Abstract Language Pflanzen sind durch ein effektives und mehrschichtiges Abwehrsystem gegenüber den meisten mikrobiellen Pathogenen resistent. In Arabidopsis stellen ENHANCED DISEASE SUSCEPTIBILITY (EDS1) und seine Interaktoren PHYTOALEXIN DEFICIENT 4 (PAD4) and SENESCENCE ASSOCIATED GENE 101 (SAG101) einen wichtigen regulatorischen Knotenpunkt in der Pathogenabwehr dar. Zusammen sind sie essentiell für die basale Abwehr von invasiven biotrophen und hemibiotrophen Pathogenen, für TIR-type NB-LRR Immunrezeptor-abhängigen programmierten Zelltod und für die Akkumulation des phenolischen Pflanzenhormons Salicylsäure (SA). Dieser Arbeit vorhergehend wurde gezeigt, dass die zentrale Komponente EDS1 molekulare und räumlich getrennte Komplexe mit PAD4 und SAG101 im Zytoplasma und dem Zellkern gesunder Pflanzen bildet. Das Schicksal dieser Komplexe während der Abwehrantwort und die Bedeutung ihrer zellulären Verteilung waren bisher nicht bekannt. Die hier präsentierte Arbeit zeigt, dass keine bedeutende Umverteilung von EDS1 während der späten Phase der Infektion oder in immunologisch deregulierten genetischen Hintergründen erfolgt, da die steady-state Mengen im Nukleus und im Zytoplasma ansteigen. Im Gegensatz dazu wurde eine Anreicherung von nukleären EDS1 während der frühen Phase der TIR-NB-LRR-vermittelten Antwort beobachtet, was auf eine Rolle des nukleären EDS1-Pools im schnellen Signaltransfer zu diesem Zellkompartment nach spezifischer Pathogenerkennung hindeutet. Behandlung von EDS1-YFP expremierenden Arabidopsis-Protoplasten mit nukleären Exportinhibitoren zeigte, dass EDS1 zwischen dem Kern und dem Zytoplasma pendelt, was weiterhin auf eine Rolle von EDS1 in der Weiterleitung von wichtigen Informationen zwischen beiden Zellkompartimenten hinweist. Um Informationen über die funktionelle Bedeutung der EDS1-Verteilung zu erhalten und um zytosolische von nukleären Funktionen zu unterscheiden, untersuchte ich, ob die Manipulation der EDS1-Lokalisation die Funktionalität beeinflusst. Transgene Pflanzen wurden generiert, in denen ein nukleäres Exportsignal (NES), eine hormonbindende Domäne des Glucocorticoid Rezeptors (GS) von Ratte, oder ein nukleäres Lokalisationssignal (NLS) an eine funktionelle EDS1-YFP Fusion angefügt waren und in einem eds1 Nullmutantenhintergrund expremiert wurden. Nukleärer EDS1 Ausschluss durch die Anwesenheit von NES, oder über GR zytosolisch fixiertes EDS1, führte zu reduzierter basaler, TIR-NB-LRR-vermittelter und systemischer Resistenz. Umgekehrt erlaubte die durch Dexamethasonbehandlung vermittelte nukleäre Akkumulation von EDS1-YPF-GR Fusionsproteinen eine verstärkte Resistenz. Weitere Ergebnisse wiesen auf eine Rolle von zytosolischem EDS1 in der Modulierung von Pflanzenzelltod hin, welcher sich möglicherweise dem Verhältnis von reaktiven Sauerstoffspezies zu SA zuordnen lässt. Interessanterweise resultierte die konstante Zuführung von EDS1 in den Nukleus durch die Anfügung eines NLS in einer dosisabhängigen Umprogrammierung der Entwicklung, was wahrscheinlich den Bedarf einer strengen Kontrolle von nukleären EDS1-Leveln widerspiegelt. Insgesamt weisen diese Studien auf eine nukleäre Schlüsselrolle von EDS1-Komplexen in der Regulierung von pflanzlichen Immunantworten hin, indem sie die Aktivierung von Immunrezeptoren mit dem Output der Genexpression verbinden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code García, Ana Victoria agarcia@mpiz-koeln.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-29543
Date:	2009
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 thaliana, EDS1, Pflanzenimmunität German Arabidopsis thaliana, EDS1, Plant Immunity English
Date of oral exam:	26 April 2009
Referee:	Name Academic Title Schulze-Lefert, Paul Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2954