Universität zu Köln

Dunken, Nick ORCID: 0000-0003-0563-307X (2025). Cell Death Regulation and Function in Plant-Fungal Symbiosis. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Regulated cell death (RCD) is a hallmark of plant immunity, traditionally associated with defense against pathogens. However, its role in beneficial plant–microbe interactions remains largely uncharacterized. The root endophyte Serendipita indica, with its biphasic lifestyle, comprising an initial biotrophic phase followed by a cell death-associated phase, serves as an excellent model to dissect the molecular regulation of RCD in mutualistic contexts. While individual host factors implicated in the cell death-associated phase have been previously identified, the mechanisms governing RCD initiation and regulation remained poorly defined. In this thesis (Chapter 4), I characterized the synergistic activity of two fungal effector enzymes, SiNucA and SiE5NT, as the primary trigger of RCD. Their activity leads to the apoplastic production of deoxyadenosine (dAdo), a purine-derived infochemical that triggers signaling and RCD in host roots. I further identify the equilibrative nucleoside transporter ENT3 as the key mediator of both dAdo-induced and S. indica-mediated cell death. To dissect the molecular responses underlying this process, integrated transcriptomic, proteomic, and metabolomic profiling were employed. These analyses revealed substantial overlap with known RCD pathways and uncovered additional infochemical candidates involved in host–microbe communication. To monitor cell death dynamics in planta, I developed a high-throughput assay combining Pulse Amplitude Modulation (PAM) fluorometry with ion leakage measurements (Chapter 3). A genetic screen using this assay identified a previously uncharacterized TIR-NLR receptor Induced by S. indica (ISI) as a modulator of root cell death and a regulator of dAdo-triggered RCD, supporting the role of dAdo as an active immunometabolite. Beyond this, ISI was found to modulate distinct root cell death phenotypes and to influence S. indica colonization patterns, suggesting a broader role in regulating mutualistic interactions. Together, these findings support a model in which synergistic effector activity and purine-based signaling tightly regulate RCD as part of a controlled mutualistic program. This work redefines RCD as a functional component of beneficial symbioses used to shape microbial niche structure, uncovers a novel intersection between purine metabolism and immune signaling, and broadens the functional repertoire of TIR-NLR proteins beyond classical pathogen resistance (Chapter 5). These findings advance the emerging field of plant immunometabolism and provide a conceptual framework for understanding how root immunity integrates metabolic and microbial cues.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Regulation und Funktion von Zelltod in Pflanzen-Pilz-Symbiosen German
Translated abstract:	Abstract Language Regulierter Zelltod (RCD) ist ein zentrales Merkmal pflanzlicher Immunität und wird traditionell mit der Abwehr von Krankheitserregern in Verbindung gebracht. Seine Rolle bei nützlichen Interaktionen zwischen Pflanzen und Mikroben ist jedoch noch weitgehend unklar. Der Wurzelendophyt Serendipita indica mit seiner biphasischen Lebensweise, die eine anfängliche biotrophe Phase, gefolgt von einer Zelltod-assoziierten Phase beinhaltet, dient als hervorragendes Modell zur Untersuchung der molekularen Regulierung des RCD in mutualistischen Symbiosen. Während einzelne Wirtsfaktoren, die an der Zelltod-assoziierten Phase beteiligt sind, bereits identifiziert wurden, sind die Mechanismen, die für die Auslösung und Regulierung des RCD verantwortlich sind, noch unzureichend definiert. In dieser Dissertation (Kapitel 4) habe ich die synergistische Aktivität von zwei pilzlichen Effektorenzymen, SiNucA und SiE5NT, als primären Auslöser des RCD identifiziert. Ihre Aktivität führt zur apoplastischen Produktion von Desoxyadenosin (dAdo), einer auf Purin basierenden Infochemikalie, die in den Wirtswurzeln die Stresssignale und RCD auslöst. Darüber hinaus identifiziere ich den äquilibrativen Nukleosid-Transporter ENT3 als Schlüsselkomponente sowohl von dAdo-induzierten, als auch S. indica-vermittelten Zelltod. Um die molekularen Reaktionen, die diesem Prozess zugrunde liegen zu entschlüsseln, wurden integrierte transkriptomische, proteomische und metabolomische Analysen angewandt. Diese Analysen ergaben erhebliche Überschneidungen mit bekannten RCD-Signalwegen und enthüllten zusätzliche Kandidaten für Infochemikalien, die an der Kommunikation zwischen Wirt und Mikrobe beteiligt sind. Um die Dynamik von Zelltodwegen in Pflanzen nachzuverfolgen, habe ich einen Hochdurchsatztest entwickelt, der die Fluorometrie der Pulsamplitudenmodulation (PAM) mit Konduktivitäts-Messungen kombiniert (Kapitel 3). Bei einem genetischen Screening mit dieser Methode wurde ein bisher nicht charakterisierter TIR-NLR-Rezeptor "Induced by S. indica" (ISI) als Modulator von Wurzelzelltod und als Regulator des durch dAdo ausgelösten RCD bestimmt, was die Rolle von dAdo als aktiver Immunmetabolit unterstützt. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass ISI verschiedene Phänotypen des Wurzelzelltods moduliert und die Besiedlungsmuster von S. indica beeinflusst, was auf eine umfassendere Rolle bei der Regulierung mutualistischer Interaktionen hindeutet. Zusammengefasst, stützen diese Ergebnisse ein Modell, in dem synergistische Effektoraktivität und purinbasierte Signalübertragung RCD als Teil eines kontrollierten, mutualistischen Programms stark regulieren. Diese Arbeit definiert RCD neu als eine funktionelle Komponente nützlicher Symbiosen, die zur Gestaltung von mikrobiellen Nischen verwendet wird, deckt einen Schnittpunkt zwischen dem Purin-Stoffwechsel und Immunsignalen und erweitert das funktionelle Repertoire der TIR-NLR-Proteine über die klassische Pathogenresistenz hinaus (Kapitel 5). Diese Erkenntnisse bringen das aufstrebende Gebiet des pflanzlichen Immunmetabolismus voran und bieten einen konzeptionellen Rahmen für das Verständnis dafür, wie die Wurzelimmunität metabolische und mikrobielle Signale integriert. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Dunken, Nick ndunken2@uni-koeln.de orcid.org/0000-0003-0563-307X UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-789008
Date:	16 September 2025
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Botanical Institute
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Plant-Microbe Interaction English Cell Death English Fungi English Nucleosides English Mutualism English
Date of oral exam:	5 August 2025
Referee:	Name Academic Title Zuccaro, Alga Prof. Dr. Parker, Jane Prof. Dr. Hofmann, Kay Prof. Dr. Sánchez Coll, Núria Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/78900