Universität zu Köln

Heidrich, Katharina (2012). Recognition of bacterial effector AvrRps4 in Arabidopsis. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Pflanzen und Tiere werden ständig von Krankheitserregern, wie z.B. Viren, Bakterien und Pilzen angegriffen. Im Gegensatz zu Tieren besitzen Pflanzen kein humorales Immunsystem, sondern nur ein angeborenes Immunsystem. Krankheitserreger verfügen über Effektorproteine, welche die pflanzliche Immunantwort unterdrücken können. Um dem entgegenzuwirken, haben Pflanzen Resistenzproteine entwickelt, die entweder Effektorproteine direkt erkennen können oder deren Funktionen in der Wirtszelle. Eine bestimmte Gruppe dieser Resistenzproteine, TIR-NB-LRR Rezeptoren, benötigen das Pflanzenprotein EDS1 zur Aktivierung der Immunantwort. Aktivierung der Resistenzantwort durch die Erkennung eines Effektorproteins führt zu einem Einstrom von Kalziumionen in die Zelle, gefolgt von der lokalen Freisetzung radikaler Sauerstoffspezies und oft zur Aktivierung des programmierten Zelltods in den angegriffenen Zellen. Allerdings wird die Aktivierung des programmierten Zelltods nicht immer für die Resistenz benötigt. Um ein besseres Verständnis der Co-Evolution von Krankheitserregern und Pflanzen zu erlangen, ist es wichtig, die molekularen Mechnismen der Erkennung von Effektorproteinen sowie deren Funktionen in der Wirtszelle zu untersuchen. Desweiteren ist bisher unbekannt, wie TIR-NBLRR Rezeptoren nach ihrer Aktivierung die EDS1-abhängige Immunantwort auslösen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit den molekularen Mechanismen der Erkennung des Effektorproteins AvrRps4 von Pseudomonas syringae durch die TIR-NB-LRR Rezeptorproteine RPS4 und RRS1 in der Wirtspflanze Arabidopsis thaliana. Eine Lokalisierung von RPS4 im Zellkern wird benötigt, um eine effektive Immunantwort auszulösen. Bisher ist nicht bekannt, in welchem Zellkompartiment die Erkennung von AvrRps4 stattfindet. Ein verstärkter Export von AvrRps4 aus dem Zellkern korreliert mit einer schwächeren Immunantwort der Pflanze wohingegen der Import von AvrRps4 in den Zellkern Resistenz auslöst. Interessanterweise führt der Import von AvrRps4 in den Zellkern zu einer vollständigen Resistenz der Pflanze, jedoch ohne das dafür programmierter Zelltod ausgelöst werden muss. Aus diesen Ergebnissen lässt sich schliessen, dass zumindest ein essentieller Schritt zur Erkennung von AvrRps4 im Zellkern stattfindet. Weitere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die beiden Rezeptorproteine RPS4 und RRS1 kooperativ arbeiten um Resistenz gegenüber AvrRps4 zu vermitteln. Um einen besseres Verständnis für die Funktion von AvrRps4 in der Pflanze und die Erkennung durch RPS4 und RRS1 zu bekommen, wurden die Interaktionspartner von AvrRps4 untersucht. AvrRps4 interagiert mit EDS1 im Zellkern der Pflanze, was darauf hindeutet, dass EDS1 das Target (Zielprotein) von AvrRps4 sein könnte. Desweiteren wurde eine Interaktion von EDS1 mit RPS4 und RRS1 im Zellkern beobachtet. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass sowohl die Erkennung von Effektorproteinen als auch die Aktivierung der Immunantwort im Zellkern der Pflanze stattfinden können.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Plants, like animals, are constantly exposed to attack by pathogens such as viruses, bacteria, fungi or oomycetes that have different life styles and infection strategies. Unlike animals, plants lack a somatic adaptive immune system and rely on cell-autonomous events and the innate immune system. Successful pathogens have evolved effector proteins that can suppress plant defense responses. To counteract the activities of pathogen effectors, plants have evolved resistance (R) proteins that specifically recognize these effectors either through direct interaction or through perception of effector manipulation of the host cell. TIR-type Nucleotide-binding Leucine-rich-repeat (TIR-NB-LRR) receptors invariably require EDS1 to confer resistance. Activation of effector-triggered immunity usually involves a rapid influx of calcium ions, a burst of reactive oxygen species, activation of MAPKs, synthesis of SA, reprogramming of gene expression and often a hypersensitive response (HR). However, it is not known whether the HR is an essential component of disease resistance mechanisms in plants. Deciphering the molecular mechanisms by which bacterial effectors contribute to disease and are recognized by resistant hosts is important for our understanding of hostpathogen communication and co-evolution. It is also important to establish how activated TIR-type R proteins molecularly connect to EDS1-dependent defense induction. The work presented here characterizes the mechanism by which the Pseudomonas syringae effector AvrRps4 is recognized by its cognate TIR-NB-LRR-type receptor proteins RPS4 and RRS1 and how this leads to subsequent defense signalling in the host plant Arabidopsis thaliana (hereafter named Arabidopsis). Nuclear localization of RPS4 is required for its resistance function but it remained unclear how and where in the host cell AvrRps4 is perceived by its cognate R proteins. Increased export of AvrRps4 from the nucleus by fusion to a nuclear export sequence (NES) fails to induce a full immune response. In contrast, AvrRps4 targeted to the nucleus through the addition of a nuclear localization sequence (NLS) triggers full resistance, measured by limitation of bacterial growth. Notably, AvrRps4 targeted to the nucleus induces resistance but fails to elicit a host cell death response. Restriction of bacterial multiplication can thus be uncoupled from induction of cell death. Collectively, the data suggest that at least one essential step of RPS4/RRS1-mediated AvrRps4 recognition leading to resistance occurs in the nucleus. Results from genetic and molecular analysis of RPS4 and RRS1 modes of action suggest that these R proteins function cooperatively in the nucleus in recognizing AvrRps4. To further dissect AvrRps4 function and recognition through RPS4 and RRS1, interaction partners of AvrRps4 in planta were analyzed. AvrRps4 physically interacts with the central immune regulator EDS1 in the nucleus suggesting that EDS1 might be the virulence target of AvrRps4. Furthermore, EDS1 forms a complex with RPS4 and RRS1 in the nucleus. These data provide a potential direct link between TIR-NB-LRR-type receptors and EDS1- dependent defense induction and suggest that important recognition and signalling events can occur inside the plant nucleus. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Heidrich, Katharina heidrich.katharina@googlemail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-46880
Date:	16 May 2012
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language plant immunity effector resistance protein defense signalling English
Date of oral exam:	25 May 2011
Referee:	Name Academic Title Schulze-Lefert, Paul Professor
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4688