Universität zu Köln

Reimer-Michalski, Eva-Maria (2015). Histone methylation-mediated control for systemic priming and resistance in Arabidopsis. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Plant immunity relies on two immune pathways: Recognition of so-called microbial-associated molecular patterns (MAMPs) and pathogen-derived effectors leads to MAMP-triggered immunity (MTI) and effector-triggered immunity (ETI), respectively. MTI and ETI both activate the release of systemic signals from the local challenged sites, and thereby enhance immunity in distal unchallenged cells, termed systemic acquired resistance (SAR). MTI and ETI activation entails extensive transcriptional reprogramming of a large set of defense-related genes in an appropriate timing and amplitude in local and systemic tissue. Following this, defense priming is conditioned via a process that appears to be under epigenetic control, where target defense-related genes are poised for a greater and/or faster activation upon second stimulation at lower fitness costs for the plant. The results presented in this thesis indicate that systemic priming is greater in amplitude after ETI than after MTI. In correlation with previous studies, it was shown that the priming response further exhibits a somatic memory that is transferrable to newly emerged leaves. A RNA-Seq analysis of MTI-, ETI- and non-primed systemic leaves provides an inventory of SAR and systemic priming target genes, which can be classified into 12 clusters based on their expression patterns. Of note, MTI and ETI seem to influence partially different gene sets during systemic immunity. The MTI-ETI differences in the target genes become more prominent in the systemic priming response, which thus seems to represent a distinct phase of plant immunity. Salicylic acid (SA) as a central signaling component of SAR is inalienable, in both local and systemic leaves, for the establishment of SAR and mutants exhibiting a SAR-deficient phenotype are often defective in SA signaling. In this respect, this study could indicate that SA-dependence of systemic immune activation and priming response can be circumvented after ETI, but not after MTI. Interestingly, the transcriptional co-activator NPR1 as key-player of SA and SAR signaling seems to be indispensable for MTI- and ETI-induced systemic immunity and priming response. Additionally, I provide genetic evidence that a subset of the Arabidopsis histone modifiers, ATX1 and CLF, that act as part of the trithorax group (trxG) and Polycomb group (PcG) protein complexes, respectively, contribute to the systemic priming response and systemic pathogen resistance. ATX1 and CLF are associated with trimethylation of lysine 4 or 27 of histone H3 (H3K4me3, H3K27me3), respectively. Interestingly, they are dispensable for local defense activation, pointing to a role for H3K4me3 and H3K27me3 in systemic immunity and priming. The greater systemic immunity and priming response upon ETI is associated with an increase in H3K4me3 and H3K27me3 levels compared to MTI, at least on the locus for PR1, a SAR and priming target gene. In correlation with previous studies, it can be assumed that H3K4me3 serves as epigenetic memory for the ETI-specific priming response, whereas H3K27me3 is required for the full development of the associated priming response. On the other hand, MTI-induced systemic priming seems to be SA-dependent and is not correlated with significant H3K4me3 and H3K27me3 enrichment on PR1 associated with a lower gene expression and immunity level of MTI signaling compared to ETI. In sum, the data presented in this work uncover novel mechanisms and differences in the regulation of systemic immunity and priming response, which involve specific histone modifications such as H3K4me3 and H3K27me3 and their corresponding histone methyltransferases ATX1 and CLF.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die pflanzliche Immunabwehr beruht auf zwei Signalwegen: Zum Einen führt die Erkennung von pathogen-spezifischen hochkonservierten Molekülen („Microbial-associated molecular patterns“ – MAMPs) zur Aktivierung einer basalen Immunantwort („MAMP-triggered immunity – MTI) und zum Anderen löst die intrazelluläre indirekte oder direkte Erkennung von so genannten Effektoren, welche vom Pathogen in die Zelle eingebracht werden, eine zweiten Welle der Immunaktivierung aus („Effector-triggered immunity“ – ETI). Für beide Signalwege wurde gezeigt, dass diese nach Aktivierung einer lokaler Immunantwort die Freisetzung von Botenstoffen auslösen, welche zu einer erhöhten systemischen Immunität der Pflanze führen („systemic acquired resistance“ - SAR). Die Aktivierung von MTI und ETI geht einher mit einer umfassenden Veränderung der Genexpression in lokalem und systemischem Gewebe in einem zeitlichen und quantitativ kontrollierten Rahmen. Dabei ermöglicht ein Gen-Markierungsprozess, genannt “Priming”, eine schnellere und/oder stärkere Expression selektierter Gene um effektiv und zielgerichtet auf einen zweiten Stress-assoziierten Stimulus reagieren zu können, ohne die Kosten einer konstitutiv aktiven Immunabwehr. Dies ist unter anderem mit spezifischen Histonmodifikationen assoziiert, welche der Pflanze als ein transkriptionelles Gedächtnis dienen können. Die Resultate der vorliegenden Arbeit deuten auf eine umfassende systemische Priming-Antwort, welche nach lokaler ETI Aktivierung höher ausfällt als nach lokaler MTI Aktivierung, als auch auf die Bedeutung von Histonmodifikationen in diesem Prozess hin. Es ist zudem möglich, die Priming-Antwort in neu entwickelten Blättern nachzuweisen, was ein somatisches Gedächtnis der Pflanze impliziert. Eine genomweite Transkriptionsanalyse in systemischen Blättern ermöglichte eine Unterteilung von SAR und/oder Priming-assozierter Gene in Abhängigkeit der jeweiligen lokal induzierten Immunantwort. Interessanterweise beeinflusst die lokale MTI und ETI Aktivierung ein teilweise unterschiedliches Set an Genen während der systemischen Immunaktivierung. Dieser MTI-ETI spezifische Unterschied wird während der Priming-Antwort noch verstärkt, was auf die Abspaltung der Priming-assoziierten Immunaktivierung, neben der lokalen und systemischen, hindeutet. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass Salicylsäure (SA) als zentrales Signalmolekül unabdingbar ist für die Etablierung von SAR, sowohl in lokalem und als auch in systemischem Gewebe. Damit einhergehend korrelieren viele SAR-defiziente Phänotypen mit einem Defekt im SA Signalweg. Darauf Bezug nehmend konnte in dieser Arbeit Hinweise gewonnen werden, dass die SA Abhängigkeit der systemischen Immunaktivierung und Priming-Antwort nach lokaler ETI Aktivierung, aber nicht nach MTI Aktivierung, umgangen werden kann. Interessanterweise wird in beiden Fällen der zentrale Regulator SA-induzierter Immunantwort, NPR1, benötigt, welcher als transkriptioneller Co-Aktivator eine Schlüsselfigur während der Aktivierung von SAR und der Priming-Antwort einnimmt. Die Histonmodifikationen der Trimethylierung von Lysine 4 oder 27 von Histone H3 (H3K4me3, H3K27me3) sind assoziiert mit den Histonmethyltransferasen, ATX1 und CLF, welche jeweils die katalytische Domäne der Trithorax- und Polycomb-Proteinkomplexe in Arabidopsis beinhalten. Anhand einer genetischen Fallanalyse konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass CLF und ATX1 zur systemischen Immunaktivierung und Priming-Antwort beitragen. Hierbei ist anzumerken, dass ATX1 und CLF hauptsächlich im systemischen Gewebe benötigt werden, was auf die Bedeutung von H3K4me3 und H3K27me3 für die systemische Resistenz und Priming-Antwort hinweist. Die massive systemische Immunität und Priming-Antwort nach lokaler ETI Aktivierung geht einher mit einer für PR1, einem Markergen für SAR und Priming, erhöhten H3K4me3 und H3K27me3 Anreicherung. Dies führt in Korrelation mit früheren Arbeiten zu der Annahme, dass H3K4me3 als transkriptionelles Gedächtnis für die ETI-spezifische Priming-Antwort dient, während H3K27me3 für die volle systemische Immunität benötigt wird. Im Gegensatz dazu ist die MTI-induzierte Priming-Antwort nicht mit einem signifkant erhöhtem H3K4me3 und H3K27me3 Level assoziiert, was in Zusammenhang gebracht werden kann mit der schwächeren systemischen Genexpression und Immunität im Vergleich zu ETI. Die Daten dieser Arbeit zeigen neue Mechanismen und Unterschiede in der Regulation der systemischen Immunität und Priming-Antwort auf, welche spezifische Histonmodifikationen und deren korrespondierenden Histonmethyltransferasen einschließt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Reimer-Michalski, Eva-Maria ereimer@mpipz.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-61029
Date:	4 May 2015
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, SAR, Epigenetic, Histone Modifications, Priming, MTI, ETI, Arabidopsis thaliana English
Date of oral exam:	16 October 2014
Referee:	Name Academic Title Schulze-Lefert, Paul Prof. Dr. Flügge, Ulf-Ingo Prof. Dr. Schubert, Daniel Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6102