Molecular characterization of mlo-based powdery mildew resistance and the role of heterotrimeric G-protein signaling in Arabidopsis defense

Lorek, Justine Agnes (2011). Molecular characterization of mlo-based powdery mildew resistance and the role of heterotrimeric G-protein signaling in Arabidopsis defense. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Powdery mildew is a common fungal disease of monocotyledonous and dicotyledonous plant species. Successful pathogenesis by the biotrophic fungus depends on the presence of plant-specific MLO (MILDEW RESISTANCE LOCUS O) proteins, as mutations in particular MLO genes confer durable powdery mildew resistance in barley, tomato and Arabidopsis. In the absence of MLO, fungal spores fail to invade the host epidermal cell, resulting in an early termination of fungal pathogenesis. MLO proteins define a family of heptahelical plasma membrane-localized proteins, reminiscent of G-protein coupled receptors (GPCRs) in metazoans that activate heterotrimeric G-protein signaling. A genetic approach was chosen in this study to assess the role of MLO proteins as putative plant GPCRs and results from these experiments demonstrate that powdery mildew susceptibility conferred by MLO is independent of the heterotrimeric G-protein complex. However, data from this analysis suggest a function of the heterotrimeric G-protein in basal defense mechanisms against powdery mildew fungi as well as in the integration of MAMP (microbe-associated molecular patterns) perception into downstream immune responses. Metabolomic analysis performed in this study indicate that the adapted powdery mildew fungus, Golovinomyces orontii, is able to suppress the accumulation of the defense-relevant indolic glucosinolate, 4MI3G (4-methoxyindol-3-ylmethylglucosinolate) in Arabidopsis, thereby inhibiting the PEN2-dependent glucosinolate defense pathway. This inhibition requires functional MLO, suggesting that successful defense suppression either operates through the MLO protein or that it requires the formation of post-invasive fungal infection structures. Other data obtained here demonstrate that MLO proteins negatively regulate transcriptional activation of defense-related genes in response to powdery mildew challenge as well as upon MAMP treatment, implicating MLO functions in MAMP-triggered defense signaling.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

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Abstract

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Mehltau ist eine weit verbreitete Pilzkrankheit von monokotyledonen und dikotyledonen Pflanzenarten. Die pflanzenspezifischen MLO (MILDEW RESISTANCE LOCUS O)-Proteine sind dabei unerlässlich für eine erfolgreiche Infektion durch den biotrophen Mehltaupilz, da Mutationen in bestimmten MLO Genen in Gerste, Tomate und Arabidopsis zur dauerhaften Mehltauresistenz führen. Durch Abwesenheit der MLO-Proteine wird der Eintritt der Pilzspore in die pflanzliche Epidermiszelle verhindert, wodurch es zum früher Erliegen der Mehltauinfektion kommt. MLO-Proteine gehören zur Familie der heptahelikalen Transmembranproteine und ähneln damit G-Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCR), welche durch Aktivierung von heterotrimeren G-Proteinen Signaltransduktionswege einleiten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein genetischer Ansatz gewählt, um die potentielle Rolle von MLO-Proteinen als G-Protein gekoppelte Rezeptoren in Arabidopsis zu untersuchen. Dabei wurde gezeigt, dass die MLO-vermittelte Mehltauinfektion unabhängig von der Aktivität heterotrimerer G-Proteine ist. Vielmehr liefert die vorliegende Arbeit Hinweise für eine Funktion des heterotrimeren G-Protein Komplexes in der Pflanzenabwehr gegenüber Mehltaupilzen sowie in der Vermittlung von Immunantworten nach Erkennung von Mikroben-assoziierten molekularen Signaturen (MAMPs; microbe-associated molecular patterns). Des Weiteren deuten Analysen von Sekundärmetaboliten in Arabidopsis darauf hin, dass der adaptierte Mehltaupilz, Golovinomyces orontii, dazu fähig ist, die Akkumulation des Abwehr-relevanten Indol-Glucosinolats, 4MI3G (4-Methoxyindol-3-ylmethylglucosinolat), zu unterdrücken und damit den PEN2-anhängigen Abwehrmechanismus zu inhibieren. Dieser Prozess ist abhängig vom funktionalen MLO-Protein und lässt daher vermuten, dass die effektive Unterdrückung pflanzlicher Abwehr durch den Mehltaupilz entweder durch die Manipulation des MLO-Proteins durch den Pilz erfolgt oder aber die Invasion des Pilzes in die Pflanzenzelle voraussetzt. Weitere Ergebnisse aus dieser Studie demonstrieren, dass MLO-Proteine die transkriptionelle Aktivierung von Abwehrgenen nach Inokulation mit dem Mehltaupilz sowie nach Behandlung mit MAMPs negativ regulieren. Letzteres weist auf die Funktion von MLO-Proteinen in MAMP-induzierten Abwehrmechanismen hin.

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