Universität zu Köln

Gyetvai, Gábor Miklos (2010). Structural and functional characterization of R1-homologous genes. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The major disease for Solanum tuberosum is the foliage and tuber blight caused by the oomycete Phytophthora infestans. Defeat of this pathogen is often connected with the application of pesticides, which are toxic and increase production costs. However plants dispose over a class of genes which are able to mediate resistance to existing pathogens known as R-genes. These genes play a key-role in effector-induced resistance responses which finally result in a form of programmed cell death (PCD), the hypersensitive response (HR). R1 belongs to a major class of resistance genes (NBS-LRR class genes) and is known to mediate race-specific resistance to P. infestans. The chromosomal region around R1 has been sequenced and revealed eight open reading frames (ORFs) with high homology to R1. These genes are part of a cluster of resistance genes on S. tuberosum chromosome V. The nine ORFs share higher sequence similarity with each other than with any other resistance gene in S. tuberosum known so far and are therefore considered as the R1-family. Within this project the molecular characterization of the R1-family and the response genes was performed. The major goal of this study was the molecular characterization of the R1-mediated resistance phenotype. To achieve this, a complex comparative transcriptome analysis of transgenic plants was performed in the initial stages of late blight infection. Different Desirée lines either with or without the R1-gene were used in this study. In addition, transformants with the R1-homologous gene ORF45, which shares high homology to R1 but does not confer resistance was analyzed. To generate the highest possible output rate, one of the new Next Generation Sequencing methods was used in combination with the DeepSAGE-technology. Performance parameters were validated. Various data analysis techniques were evaluated and at the end a pipeline was composed, which was able to process the data and leads to a state-of-the-art statistical data assessment. The data analysis was able to provide further evidence for an intensive role of plant hormone signalling during the early stages of infection. Moreover in these key-processes different expression behaviors were observed in the incompatible versus the compatible interaction. In addition it was possible to give experimental evidence for the expression of five of the members of the R1-family and cytosolic resistance mechanism in Solanum nigrum which is able to sense the presence of effector molecules from Phytophthora infestans.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Bei dem für Solanum tuberosum primär relevanten Krankheitserreger handelt es sich um den Kraut- und Knollenfäule verursachenden Oomyzet Phytophthora infestans. Die Bekämpfung dieses pilzähnlichen Schädlings ist primär mit dem Einsatz von toxischen Pflanzenschutzmitteln verbunden, die die Produktionskosten erhöhen. Allerdings ist die Pflanze diesem Erreger nicht schutzlos ausgeliefert. Sie verfügt über eine Klasse von Genen, die in der Lage ist, Resistenz gegenüber dem Pathogen zu vermitteln. Diese Gene werden als R-Gene bezeichnet und spielen eine Schlüsselrolle in dem durch Effektoren induzierten programmierten Zelltod, der so genannten Hypersensitiven Antwort. R1 gehört zu der Hauptklasse dieser Resistenzgene, den NBS-LRR Genen. Es ist bekannt, dass dieses Gen in der Lage ist, eine rassenspezifische Resistenz zu vermitteln. Durch Sequenzierung des chromosomalen Bereichs um R1 wurden acht offene Leseraster entdeckt, die eine große Sequenzähnlichkeit zu dem R1 Gen aufweisen und Teil des Resistenz-Clusters auf Chromosom V von Solanum tuberosum sind. Die mit R1 insgesamt neun Gene zeigen untereinander eine größere Sequenzähnlichkeit als zu jedem anderen Resistenzgen in Kartoffel auf und werden als die R1-Familie bezeichnet. Innerhalb dieses Projekts wurde eine molekulare Charakterisierung dieser Familie und der durch R1 induzierten Abwehrgene durchgeführt. Das Hauptziel bestand darin, den R1-vermittelten Phänotyp molekular zu beschreiben. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde eine vergleichende Transkriptomanalyse der Sorte Desirée in der Anfangsphase der Infektion mit Krautfäule durchgeführt. In diesem Zusammenhang wurden verschiedene transgene Linien getestet die entweder das R1-Gen enthielten oder nicht. Zudem wurde eine transgene Linie miteinbezogen, die das Gen ORF45 erhielt. ORF45 teilt eine hohe Sequenzähnlichkeit mit dem R1-Gen, vermittelt aber nicht den bekannten Resistenzphänotyp. Um den höchstmöglichen Datendurchsatz zu generieren, wurden eine neue Sequenziermethode der nächsten Generation eingesetzt in Kombination mit der DeepSAGE-Methode. Die Leistungsparameter dieses technischen Ansatzes wurden validiert. Im Verlauf dieses Projekts wurden verschiedenste Verfahren zur Datenanalyse getestet, letztendlich wurde eine Auswerte-Pipeline zusammengestellt, die in der Lage ist, die gewonnen Daten nach aktuellem Erkenntnisstand aufzubereiten und auszuwerten. Die Analysen zeigten, dass in dieser ersten Phase der Infektion hormonelle Signale in der Pflanze eine große Rolle spielen. Zudem konnten innerhalb dieser Schlüsselprozesse Unterschiede zwischen der kompatiblen (anfälligen) und der inkompatiblen Interaktion (resistenten) beobachtet werden. Darüber hinaus gelang es innerhalb der durchgeführten Arbeit, den experimentellen Beweis für die Expression von fünf der offenen Leseraster der R1-Familie zu erbringen und einen cytosolischen Resistenzmechanismus in Solanum nigrum zu beweisen, der in der Lage ist, Effektormoleküle von Phytophthora infestans zu erkennen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Gyetvai, Gábor Miklos gyetvai@mpiz-koeln.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-31501
Date:	2010
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Institute for Genetics
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language immunity, Phytophthora, potato, resistance, transcriptome English
Date of oral exam:	8 July 2010
Referee:	Name Academic Title Gebhardt, Christiane Dr. PD
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/3150