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.
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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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Translated abstract: |
Abstract | Language |
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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. | German |
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Creators: |
Creators | Email | ORCID | ORCID Put Code |
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Roß, Annegret | ross@mpipz.mpg.de | UNSPECIFIED | UNSPECIFIED |
|
URN: |
urn:nbn:de:hbz:38-53977 |
Date: |
October 2012 |
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, MAMPs, Arabidopsis, SAR, PRRs, plant pathogen | English |
|
Date of oral exam: |
14 December 2012 |
Referee: |
Name | Academic Title |
---|
Schulze-Lefert, Paul | Prof. Dr. |
|
Refereed: |
Yes |
URI: |
http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5397 |
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