Universität zu Köln

Peine, Nora Anna (2013). Impact of Nuclear EDS1 on Arabidopsis Immunity. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In nature, plants are constantly exposed to microbial pathogens and have evolved an effective and dynamic immune system in order to survive. Arabidopsis EDS1 (ENHANCED DISEASE SUSCEPTIBILITY1), with its interacting partners PAD4 (PHYTOALEXIN DEFICIENT4) and SAG101 (SENESCENCE ASSOCIATED GENE101), forms an important disease resistance signaling hub. EDS1 is essential for basal defense against biotrophic and hemibiotrophic pathogens and for effector-triggered resistance mediated by TIR (Toll-Interleukin1 receptor)- NB-LRR (Nucleotide Binding Site-Leucine Rich Repeat) receptors. Previous work suggested different functions of cytoplasmic and nuclear EDS1 pools in molecularly and spatially distinct complexes with its partners PAD4 and SAG101 and other resistance components. To gain deeper insights into the functional significance of EDS1 intracellular distribution, I investigated transgenic Arabidopsis plants that have enforced EDS1 nuclear accumulation through EDS1 fusion to a nuclear localization signal (EDS1-NLS). My work shows that nuclear EDS1 is sufficient to confer basal and TIR-NB-LRR-triggered resistance to several tested pathogens. Furthermore, plants with nuclear-restricted EDS1 are able to signal TIR-NB-LRR-conditioned cell death. Whereas plants expressing moderate amounts of enforced nuclear EDS1 display wt-like defense, high levels of nuclear-restricted EDS1 induce defense outputs, such as defense-related transcriptional reprogramming and elevated levels of the phytohormone salicylic acid, without a pathogen stimulus. The amplitude of defense activation correlates with the severity of growth defects in EDS1-NLS plants. A certain threshold of nuclear EDS1 accumulation has to be passed before auto-activation of defense outputs is induced. Despite activated defenses, these plants exhibit only marginally enhanced basal resistance. The EDS1-NLS-conditioned defense phenotypes require PAD4, but not SAG101, and are largely independent of the SA defense signaling pathway, thus emphasizing the importance of a previously identified but poorly defined SA-independent branch of EDS1/PAD4 signaling. Notably, the presence of wild type EDS1 combined with high levels of nuclear-restricted EDS1 abolishes the auto-induced defense outputs, suggesting a counter-balancing role of cytosolic EDS1 and/or nucleo-cytoplasmic shuttling in modulating nuclear EDS1 activities. Experiments were initiated to distinguish prolonged and potentially pleiotropic effects of EDS1 nuclear restriction from its immediate consequences on resistance and development. Analysis of in vivo EDS1 nuclear interactors by co-immunoprecipitation and tandem mass spectrometry revealed an association of EDS1 with RPN2 which is part of the 26S proteasome, indicating a possible role of EDS1 in proteasome-mediated regulation of resistance responses. Taken together, the results of this study emphasize a crucial function of nuclear EDS1 in regulating plant immunity.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Pflanzen besitzen ein effizientes und dynamisches Abwehrsystem, das sie gegenüber einem breiten Spektrum von Krankheitserregern schützt. In Arabidopsis stellt EDS1 (ENHANCED DISEASE SUSCEPTIBILITY1) mit seinen Interaktionspartnern PAD4 (PHYTOALEXIN DEFICIENT4) und SAG101 (SENESCENCE ASSOCIATED GENE101) einen wichtigen regulatorischen Knotenpunkt in der Pathogenabwehr dar. EDS1 ist essentiell sowohl in der basale Abwehr von biotrophen und hemibiotrophen Pathogenen, als auch in der Resistenz die von TIR-NB-LRR Rezeptoren vermittelt wird. Vorangegangene Arbeiten deuten auf verschiedene Funktionen von EDS1 im Zytoplasma und im Zellkern hin; diese beruhen vermutlich auf den räumlich getrennten und molekular unterschiedlichen Komplexen von EDS1 mit seinen Interaktoren PAD4, SAG101 oder möglichen weiteren Komponenten des Immunsystems. Um tiefere Einblicke in die funktionelle Bedeutung der EDS1-Verteilung innerhalb der Zelle zu erhalten wurden in der vorliegenden Arbeit transgene Arabidopsis-Linien untersucht, in denen EDS1 durch das Anhängen eines nukleären Lokalisationssignals in den Zellkern gezwungen wird (EDS1-NLS). Meine Arbeit zeigt, dass auf den Zellkern begrenztes EDS1 hinreichend ist zur Abwehr der untersuchten Pathogene. Zusätzlich sind Pflanzen mit nukleär-begrenztem EDS1 in der Lage, Zelltod nach Pathogenerkennung durch Rezeptorproteine auszulösen. Pflanzen mit gemäßigtem, vorwiegend nukleärem EDS1-Gehalt weisen eine wildtyp-ähnliche Immunantwort auf. Pflanzen mit hoher Expression von nukleär lokalisiertem EDS1 hingegen zeigen induzierte Abwehrreaktionen, gekennzeichnet durch veränderte Genexpression und erhöhte Konzentration des Phytohormons Salicylsäure. Die Stärke der auto-induzierten Abwehraktivierung korreliert mit der Ausprägung morphologischer Veränderungen der EDS1-NLS Linien. Zudem muss sich eine bestimmte Menge an nukleärem EDS1 angesammelt haben, bevor Abwehrreaktionen ausgelöst werden. Trotz aktivierter Immunantwort weisen die Pflanzen nur geringfügig erhöhte basale Resistenz auf. Die induzierten Abwehrprozesse in EDS1-NLS Pflanzenlinien benötigen funktionales PAD4, sind aber unabhängig von SAG101 sowie von Komponenten des Salicylsäure-Signalwegs. Dies unterstreicht die Bedeutung eines Salicylsäure-unabhängigen Signalwegs in EDS1-vermittelter Resistenz, welcher schon in vorherigen Arbeiten beschrieben wurde, aber bis heute nicht umfassend verstanden ist. Expression von nukleär-zytoplasmatisch lokalisierten Wildtyp-EDS1 zusätzlich zu hohen Anteilen von nukleärem EDS1 führt zur Unterdrückung der auto-induzierten Immunantworten. Dies deutet darauf hin, dass zytoplasmatisches EDS1 der Aktivität von nukleärem EDS1 entgegenwirkt oder der Transport von EDS1 zwischen den Zellkompartimenten für die Regulation nukleärer EDS1-Aktivität von Bedeutung ist. Um zwischen den Auswirkungen von dauerhaften, womöglich für die Pflanze schädlichen, und kurzzeitigen Effekten nukleärer EDS1-Aktivität zu unterscheiden, wurden bereits weiterführende Experimente initiiert. Massenspektrometrie-Analysen zur Identifikation von EDS1-assoziierten Proteinen im Zellkern ergaben RPN2 als möglichen Interaktionspartner. RPN2 ist Teil des 26S-Proteasoms. Dies lässt auf eine mögliche Beteiligung von EDS1 in der Regulierung von Abwehrprozessen durch den Proteasomkomplex schließen. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen auf eine Schlüsselrolle von nukleärem EDS1 in der Regulation des pflanzlichen Immunsystems hin. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Peine, Nora Anna peine@mpipz.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-54228
Date:	18 February 2013
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language plant immunity, Arabidopsis, EDS1, mislocalization of immunregulator, SA signaling English
Date of oral exam:	19 April 2013
Referee:	Name Academic Title Schulze-Lefert, Paul Prof. Dr. Höcker, Ute Prof. Dr. Deslandes, Laurent Dr.
Funders:	IMPRS
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5422