Universität zu Köln

Schön, Moritz (2012). The role of Arabidopsis transcription factors WRKY18 and WRKY40 in plant immunity. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Two related Arabidopsis thaliana transcription factors, WRKY18 and WRKY40, are induced upon infection with the obligate biotrophic powdery mildew, Golovinomyces orontii (G. orontii), during early stages of infection. WRKY18 and WRKY40 negatively regulate host resistance as wrky18wrky40 double mutants are resistant towards this fungus. Differential expression of hormone biosynthesis and response genes between susceptible wildtype and resistant wrky18wrky40 plants suggested a crucial role of hormone signaling during G. orontii infection. Investigating the potential contribution of hormonal changes to resistance during this plant-pathogen-interaction is one focus of this thesis. Although hormone measurements did not reveal major differences between susceptible wildtype and resistant wrky18wrky40 plants, genetic studies demonstrated that SA biosynthesis is indispensable for resistance. Besides hormone-dependent defense responses, secondary metabolites, such as the indol-glucosinolate 4MI3G (4-Methoxyindol-3-ylmethylglucosinolat), have been shown to contribute to antifungal defense. Elevated levels of 4MI3G in infected wrky18wrky40 plants indicate a potential role of this compound in resistance towards G. orontii. Whereas WRKY18 and WRKY40 are negative regulators of resistance towards G. orontii, this was not the case for other powdery mildews. Hence, wrky18wrky40 mutants do not exhibit a broad-spectrum but rather specific resistance towards G. orontii infection. Furthermore, comprehensive wrky18wrky40 infection studies including different biotrophic, hemi-biotrophic and necrotrophic pathogens revealed a positive role of WRKY18 and WRKY40 in effector-triggered resistance towards avirulent Pseudomonas syringae DC3000 expressing the AvrRPS4 effector gene. This response appears to be highly specific since it was not observed with bacteria expressing other tested Avr genes. To further dissect roles of WRKY18 and WRKY40 in plant immunity and to uncover potential direct target genes of these transcription factors, global expression analyses of wrky18 and wrky40 single mutants upon G. orontii were performed. Overall, WRKY18 and WRKY40 function partly redundantly, but regulate highly diverse sets of genes. Direct binding of potential direct target genes will be analyzed by ChIP-PCR employing the newly generated WRKY18-HA complementation line. First results demonstrated WRKY18 feedback regulation on its own gene and the WRKY40 gene during G. orontii infection. In addition, a yeast 2-hybrid screen against a pathogen-induced cDNA-library revealed potential interaction partners of WRKY18 and WRKY40 that co-localize to the plant cell nucleus. In conclusion, this thesis contributes to further understanding the roles of WRKY18 and WRKY40 in plant immunity.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Eine Infektion von Arabidopsis thaliana mit dem obligat biotrophen Mehltaupilz Golovinomyces orontii (G. orontii) induziert in der frühen Phase des Infektionsprozesses die Expression von zwei verwandten Transkriptionsfaktoren, WRKY18 und WRKY40. WRKY18 und WRKY40 haben einen negativ regulierenden Einfluss auf die Resistenz des Wirts, da wrky18wrky40 Doppelmutanten resistent gegen diesen Pilz sind. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit war die Untersuchung eines potentiellen Beitrags hormoneller Unterschiede während dieser Pflanzen-Pathogen Interaktion. Gene, welche in der Hormonbiosynthese und –antwort involviert sind, werden zwischen anfälligen Wildtyp und resistenten wrky18wrky40 Pflanzen unterschiedlich exprimiert. Dies deutet auf eine entscheidende Rolle von Hormon-Transduktionswegen während der Mehltau-Infektion hin. Obwohl Hormonmessungen keine signifikanten Unterschiede zwischen anfälligen Wildtyp und resistenten Mutanten zeigten, konnte durch genetische Studien bewiesen werden, dass SA-Biosynthese für die beobachtete Resistenz unerlässlich ist. Neben solchen Hormon-abhängigen Abwehrreaktionen können auch sekundäre Pflanzenmetabolite, wie das Indol-Glucosinolat 4-Methoxyindol-3-ylmethylglucosinolat (4MI3G), zu einer Pilz-Abwehr beitragen. Erhöhte 4MI3G-Werte in infizierten wrky18wrky40 Pflanzen deuten auf eine Rolle dieser Verbindung für die beobachtete Resistenz gegenüber G. orontii hin. Während WRKY18 und WRKY40 negative Regulatoren der Resistenz gegenüber G. orontii sind, wurde dieser Effekt für andere gestestete Mehltaupilze nicht beobachtet. Somit weisen wrky18wrky40 Mutanten keine Breitband-Resistenz gegenüber Mehltaupilzen, sondern vielmehr eine speziefische Resistenz gegen G. orontii auf. Darüber hinaus zeigten umfangreiche Infektions-Studien, die sowohl biotrophe und hemi-biotrophe, als auch nekrotrophe Pathogene umfassten, dass WRKY18 und WRKY40 eine positive Rolle in Effektor-vermittelter Resistenz gegen das avirulente Bakterium Pseudomonas syringae DC3000 AvrRPS4 einnehmen. Auch diese Immunantwort scheint hochspezifisch zu sein, da nach Infektion mit anderen getesteten avirulenten Bakterien keine verstärkte Anfälligkeit von wrky18wrky40 Mutanten beobachtet werden konnte. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war es potentielle Zielgene dieser Transkriptionsfaktoren zu identifizieren. Dazu wurden umfassende Expressionsstudien mit wrky18 und wrky40 Einzelmutanten nach G. orontii Infektion durchgeführt. Allgemein betrachtet agieren WRKY18 und WRKY40 teilweise funktional redundant, regulieren aber deutlich unterschiedliche Gruppen von Genen. In den Expressionsstudien identifizierte Kandidaten-Gene können mit Hilfe der neu generierten WRKY18-HA Komplementationslinie auf direkte Bindung durch WRKY18 untersucht werden. Erste Ergebnisse konnten bereits WRKY18 ‚Feedback‘-Regulation des eigenen Gens und des WRKY40 Gens während G. orontii Infektion zeigen. Des Weiteren wurden in einem Yeast 2-hybrid-Screen gegen eine Pathogen-induzierte cDNA-Bibliothek potentielle Interaktionspartner von WRKY18 und WRKY40 identifiziert, die im pflanzlichen Zellkern co-lokalisieren. Insgesamt trägt diese Arbeit zu einem weiterführenden Verständnis der Rolle von WRKY18 und WRKY40 in der pflanzlichen Immunabwehr bei. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Schön, Moritz moritzschoen@googlemail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-49812
Date:	23 April 2012
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 Plant immunity, powdery mildew, resistance, WRKY, Pseudomonas syringae, AvrRPS4 English
Date of oral exam:	11 June 2012
Referee:	Name Academic Title Schulze-Lefert, Paul Prof. Dr. Hülskamp, Martin Prof. Dr. Melkonian, Michael Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4981