Schulze Hüynck, Jan (2019). Cysteine proteases and their inhibitors in microbe - maize root interactions. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Plants are associated with a broad spectrum of microbes and the outcome in plant-microbe interactions ranges from beneficial symbiosis to destructive diseases. Plant proteases are key regulators of plant cell processes such as seed development, immune responses, senescence and programmed cell death (PCD). Apoplastic papain like cysteine proteases (PLCPs) are hubs in plant-microbe interactions. The apoplast can be inhabited by so-called endophytic microorganisms and displays a crucial interface for the interaction between plant and microbes. So far, apoplastic maize PLCPs and their function have been mostly described for aerial plant parts. This study focused on PLCPs in the root apoplast of maize and aims to investigate whether PLCPs are involved in organ specific defense processes. A proteomics approach was used to study differences in PLCP content after salicylic acid (SA) treatment between leaf and root apoplast. This approach identified nine additional root specific PLCPs. Biochemical analysis of recombinant PLCPs revealed different substrate specificities and inhibitor affinities between these proteases. Using activity-based protein profiling (ABPP), three root-specific SA-activated PLCPs were identified. This result suggests organ-specific involvement of single PLCPs in SA-associated defense responses. We hypothesise that PLCPs are involved in the first steps of plant defense and need to be overcome by endophytes to develop a mutualistic interaction with the host plant. To address this hypothesis, a screening of bacteria and fungi from maize root-endophytes able to inhibit PLCPs was performed. Four bacteria were identified that secrete inhibitors of maize PLCPs. One of these bacteria is known for its hub function to stabilize a small synthetic community of root bacteria, suggesting that PLCPs are involved in stabilizing this community. Further tests indicate that the secreted inhibiting compounds to be effector proteins. To identify these inhibitors, a blast search for putative PLCP inhibitor motifs and homologs to known PLCP inhibitors was performed. This blast search did not identify sequence homologs to known PLCP-inhibitors, but revealed putative inhibitors containing an inhibitor motif. This study characterized maize root-specific PLCPs and determined differences between SAdependent activation of PLCPs in roots and leaves, suggesting PLCPs to be involved in organ specific SA-related defense responses. Additionally, our results suggest that bacterial PLCP inhibitors play a role in plant-microbe interactions and might also be involved in shaping and stabilizing of plant associated microbe communities.

Item Type: Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:
AbstractLanguage
Pflanzen sind dauerhaft in Kontakt mit einem breiten Spektrum von Mikroben, die zu gutartiger Symbiose oder desaströsen Krankheiten führen können. Proteasen agieren als Regulatoren in vielen Prozessen der Pflanzenzelle, wie der Samenentwicklung, Immunreaktion, Seneszenz und programmierten Zelltod (PCD). Apoplastische Papain-ähnliche Cysteine Proteasen (PLCPs) sind Knotenpunkte in der Pflanzen-Mikroben Interaktion. Der Apoplast wird unter anderem von sogenannten Endophyten bevölkert und stellt eine entscheidende Grenzfläche für Interaktionen zwischen Pflanzen und Mikroben dar. Bisher wurden hauptsächlich apoplstische Mais PLCPs in oberirdischen Pflanzenteilen beschrieben. Um zu ergründen, ob PLCPs in organspezifischen Immunreaktionen involviert sind, konzentriert sich diese Studie auf PLCPs des Wurzel-Apoplasten. Mittels eines proteomischen Ansatzes wurden PLCPs nach Salizylsäure (SA) -Behandlung verglichen um Unterschiede zwischen den enthaltenen apoplastischen PLCPs von Blättern und Wurzeln zu untersuchen. Hierbei wurden mehrere wurzelspezifische PLCPs identifiziert. Biochemische Charakterisierung zeigte, dass sich diese PLCPs aufgrund ihrer Substratspezifität und Inhibitor Anfälligkeit unterscheiden. Mittels Aktivitäts-basierter Protein Markierung (ABPP) konnten drei SA-assoziierte PLCPs identifiziert werden. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass PLCPs eine organspezifische Rolle in der SA-assoziierten Immunantwort spielen. In einem weiteren Ansatz wurden endophytische Maiswurzel-Bakterien und -pilze untersucht und vier Bakterien identifiziert, die einen PLCP Inhibitor sekretieren. Eines dieser Bakterien ist nötig für die Stabilität einer kleinen synthetischen Bakterien-Gemeinschaft, was eine stabilisierende Funktion für PLCPs in der Gemeinschaft vermuten lässt. Weitere Tests zeigten, dass es sich bei dem Inhibitor wahrscheinlich um ein Protein handelt. Um diesen Inhibitor zu identifizieren, wurde eine Blast-Suche nach Homologen zu bekannten PLCP Inhibitoren und Motiven durchgeführt. Hierbei konnte kein Homolog identifiziert werden, allerdings wurden Kandidaten entdeckt, die ein Inhibitor-Motiv enthalten. In dieser Studie wurden Wurzel-spezifische PLCPs charakterisiert und Unterschiede zwischen der SA-assoziierten Aktivierung von PLCPs in Blättern und Wurzeln aufgezeigt, was eine organspezifische Rolle der PLCPs in der Immunreaktion implizieren könnte. Außerdem deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass bakterielle PLCP Inhibitoren nicht nur eine wichtige Rolle für die Interaktionen zwischen Pflanzen und Mikroben, sondern auch für die Ausprägung und Stabilität von Pflanzen assoziierten bakteriellen Gemeinschaften spielen.UNSPECIFIED
Creators:
CreatorsEmailORCID
Schulze Hüynck, Janjschul12@uni-koeln.deUNSPECIFIED
URN: urn:nbn:de:hbz:38-104366
Subjects: Generalities, Science
Natural sciences and mathematics
Life sciences
Uncontrolled Keywords:
KeywordsLanguage
PLCPEnglish
salicylic acidEnglish
organ specificEnglish
rootEnglish
apoplastEnglish
endophyteEnglish
plant-microbeUNSPECIFIED
Faculty: Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions: CEPLAS - Cluster of Excellence on Plant Sciences
Language: English
Date: 2019
Date of oral exam: 25 November 2019
Referee:
NameAcademic Title
Döhlemann, GuntherProf. Dr.
Kopriva, StanislavProf. Dr.
Refereed: Yes
URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/10436

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