From perception to execution: Elucidation of signaling components that link initial MTI activation to local and systemic immunity in Arabidopsis

Roß, Annegret (2012). From perception to execution: Elucidation of signaling components that link initial MTI activation to local and systemic immunity in Arabidopsis. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

In order to resist pathogens plants have evolved so‐called pattern recognition receptors (PRR) for early detection of microbe‐associated molecular patterns (MAMPs). Binding of these molecules to their cognate PRR leads to the activation of plant immunity (MTI). Recently, it has been shown that accumulation and function of the PRR EFR that recognizes the bacterial elongation factor (EF)‐Tu epitope elf18, is dependent on functional endoplasmic reticulum (ER)‐resident glucosidase II (GII). A weakly dysfunctional gIIa allele, designated rsw3, is impaired in late and sustained activation of defense‐related genes, despite wild‐type like early defense activation upon elf18 treatment. Nevertheless, rsw3 plants exhibit a super‐susceptible phenotype towards Pseudomonas syringae pv. tomato and fail to induce EFR‐mediated resistance. Those findings indicate the significance of sustained MTI activation for robust defence execution. However, the mechanism linking initial MAMP detection to robust and sustained immune activation remains elusive. A whole genome transcript analysis revealed a group of genes which failed to be induced in rsw3 at 10 hours post treatment with elf18. In silico analysis provided evidence for those genes to be directly involved in defense execution in the presence of pathogens. Among those genes we identified PBS3. Analysis of pbs3 plants exhibited a similar phenotype as rsw3 plants showing impairment in sustained elf18‐triggered transcriptional reprogramming, pointing to an important role of the PBS3 enzyme and its catalysed products during EFR‐mediated immunity. In addition, EFR‐induced sustained PROPEP2 and PROPEP3 up‐regulation could not be maintained in rsw3 plants. Those genes encode for two putative precursor proteins of endogenous elicitor peptides in Arabidopsis. The Leu‐rich repeat receptor kinases PEPR1 and PEPR2 recognize the Pep‐epitopes, triggering immune outputs which are reminiscent of MAMP responses. Those findings suggest that the Pep/PEPR pathway acts as an amplifying machinery of MTI. In this respect, sustained induction of PROPEP2 and PROPEP3 upon elf18‐elicitation might represent a mechanism of linking initial MAMP signaling activation to robust immunity. Here we show that basal defense against hemibiotrophic pathogens as well as the generation of SAR is compromised in pepr1 pepr2 plants, providing evidence for a role of this signaling system in plant immunity. By analyzing genome‐wide transcriptional changes, we obtained commonalities and differences between EFR‐ and PEPR‐regulated genes and pathways. Our data indicate that Pep/PEPR signaling activation facilitates co‐activation of typically antagonizing salicylate and jasmonate pathways, consistent with a role of PEPRs for defenses against hemibiotrophic pathogens. Interestingly, the expression of PROPEP2 and PROPEP3 is predominantly detectable at local challenged sites during SAR, pointing to a role of the Pep/PEPR pathway in the generation of systemic immune signals. In sum, the data presented in this work uncover possible novel mechanism linking MTI activation to defense execution and reveal new insights into the function of the PEPR signaling pathway during basal defense and SAR.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

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Abstract

Language

Die erfolgreiche Pflanzenabwehr basiert auf der Früherkennung von pathogen‐spezifischen hochkonservierten Molekülen („Microbial‐associated molecular patterns“‐MAMPs) durch sogenannte Mustererkennungsrezeptoren („Pattern recogniton receptor“‐PRR). Die Bindung von MAMPs an ihre PRRs führt zur Aktivierung einer basalen Immunantwort („Mamp‐triggered Immunity“‐MTI). Kürzlich wurde gezeigt, dass die Anreicherung und Funktionalität des PRR EFR, der ein Fragment des bakteriellen Elongationsfaktors Tu (elf18) erkennt, von der Funktionalität des Enzyms Glukosidase II des Endoplasmatischen Retikulum abhängt. Pflanzen mit schwach funktionalen gII Allel, rsw3 genannt, verfehlen die späte und langanhaltende Aktivierung von Abwehrgenen, obwohl frühzeitig ablaufende Abwehrantworten dem des Wildtypes entsprechen. Allerdings weisen rsw3 Planzen einen hochanfälligen Phänotyp gegenüber Pseudomonas syringae pv.tomato auf und scheitern eine erhöhte Resistenz nach vorangegangener Erkennung von elf18 zu entwickeln. Anhand dieser Daten wird die Signifikanz der langanhaltenenden MTI‐Aktivierung für eine robuste Immunantwort erkenntlich. Nichtsdestotrotz bleiben die Mechanismen, die die initiale Pathogenerkennung mit einer stabilen und anhaltenden Immunantwort verknüpfen, weitestgehenst unbekannt. Mit Hilfe einer transkriptomweiten Genexpressionsanalyse wurde eine Gruppe von Genen identifiziert, welche 10 Stunden nach elf18‐Behandlung in rsw3‐Planzen nicht induziert wurden. In silico‐Analysen wiesen eine Verknüpfung dieser Gene mit einem aktiven Abwehrverhalten in der Gegenwart eines Pathogens auf. Ein Gen dieser Gruppe ist PBS3, welches die Konjugation von Aminosäuren an Salicylsäure katalysiert. Untersuchungen von pbs3‐Pflanzen ergaben phänotypische Übereinstimmungen mit rsw3, welche anhand von Defiziten in der langanhaltenden Regulierung von Abwehrgenen nach elf18‐Erkennung deutlich wurden. Diese Ergebnisse deuten auf die Wichtigkeit des PBS3‐Enzyms und seiner Produkte während der EFR‐vermittelten Immunantwort hin. Zusätzlich konnten PROPEP2 und PROPEP3 als zwei weitere elf18‐induzierte Gene identifiziert werden, welche in rsw3‐Pflanzen misreguliert werden. Diese Gene kodieren für putative Vorläufer endogener Elicitoren, die von den Rezeptoren PEPR1 und PEPR2 erkannt werden. Aktivierung dieser ruft eine Abwehrreaktion hervor, die starke Ähnlichkeit zu einer MAMP‐vermittelten Immunantwort aufweist. Möglicherweise basiert die langanhaltende, durch elf18‐induzierte Aktivierung von PROPEP2 und PROPEP3 auf einen Mechnismus, bei dem das Pep/PEPR‐System erste MTI‐Reaktionen mit einer stabilen Immunantwort verknüpft. In der nachfolgenden Arbeit werden Daten präsentiert, die zeigen, dass pepr1 pepr2 Pflanzen ein geschwächtes basales Abwehrverhalten gegenüber hemibiotropher Pathogene und ein Defizit zur Generation von systemisch erworbener Resistenz (SAR) aufweisen. Anhand von genomweiter Transkriptomanalysen konnten Übereinstimmungen und Unterschiede zwischen elf18‐ und Pepinduzierter Abwehrantworten bestimmt werden. Desweiteren deuten die Daten darauf hin, dass der PEPR‐Signalweg auf die Koaktivierung von den sich normalerweise antagonisierender Salicylsäure‐ und Jasmonsäurewegen basiert, welches die Anfälligkeit von pepr1 pepr2 Pflanzen gegenüber hemibiotrpher Pathogene erklären würde. Interessanterweise, wird dieser Signalmechanismus während der SAREntwicklung ausschließlich im lokalen, befallenen Gewebe der Pflanze aktiviert. Dies könnte darauf hindeuten, dass er zur Generation von SAR‐Signalen im lokalen Gewebe beiträgt.

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