1. Die Rolle von programmiertem Zelltod in der epidermalen Resistenz von Gerste
- Author
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Hof, Alexander and Döhlemann, Gunther (PD Dr.)
- Subjects
apoptosis-like cell death ,Effektor, Autophagie ,Apoptose-ähnlicher Zelltod ,food and beverages ,Pflanzenpathogen ,plant pathogen ,Effektor, Autophagie, Pflanzenpathogen, Apoptose-ähnlicher Zelltod ,effector, autophagy, plant pathogen, apoptosis-like cell death ,Gerste ,Resistenz ,Zelltod ,None of the above, but in this section ,Life sciences ,Biowissenschaften, Biologie ,Ustilago ,2013 ,None of the above, but in this section -- Life sciences -- Biowissenschaften, Biologie ,Ustilago , Resistenz ,ddc:570 ,effector, autophagy - Abstract
Ustilago hordei is the causative agent of covered smut on barley and oat. This basidiomycetous fungus establishes a biotrophic interaction with its host plant and therefore relies on a great variety of secreted effector proteins in order to cope with plant defense responses. This particularly implies the avoidance of host cell death reactions. Deletion mutants of the secreted effector Pep1 are blocked in epidermal penetration and elicit various plant defense responses, eventually leading to death of the invaded cell. The virulence factor Pep1 is functionally conserved in the corn smut pathogen Ustilago maydis and was recently shown to directly interact with apoplastic peroxidases, thus inhibiting the PAMP-triggered oxidative burst. Barley infections with the incompatible non-host pathogen U. maydis also result in epidermal cell death, which is similar to the hypersensitive response (HR). This study concentrates on molecular and cellular processes determining compatibility and incompatibility in different Ustilago/barley-interactions. Based on transcriptional analyses of U. hordei genes involved in compatible and incompatible plant interactions, 18 candidate genes were selected and further analyzed for a potential role during host colonization. So far, preliminary results point towards a virulenz function of five candidates. In the second part of this study cellular responses of barley were investigated, comparing the compatible U. hordei-interaction with responses during incompatibility caused by the non-host pathogen U. maydis as well as U. hordei and U. maydis pep1 mutants. Although incompatibility leads to programmed cell death respectively, a combination of live cell imaging techniques, an enzymatic activity assay and infections of transgenic plants overexpressing Bax Inhibitor-1 (BI-1) enabled the differentiation of two distinct pathways. While cell death responses towards pep1 mutants involve autophagy, non-host reactions after U. maydis infection trigger BI-1-dependent apoptosis-like cell death. These data sets were supported by transmission electron microscopy. Additionally, by evaluating H2O2 contents in apoplastic fluid and the transcriptional regulation of typical HR-associated marker genes, it became apparent that a HR is only caused by U. maydis infections, whereas infections by pep1 mutants result in basal defense and PAMP-tiggered immunity. Therefore it was shown, that different cell death mechanisms determine resistance of barley in host and non-host interactions., Ustilago hordei ist der Erreger von Hartbrand bei Gerste und Hafer. Um pflanzlichen Abwehrreaktionen entgegenzuwirken ist dieser basidiomycete Brandpilz zur Etablierung einer biotrophen Interaktion mit seiner Wirtspflanze auf eine Vielzahl sekretierter Effektor-proteine angewiesen, wobei der Unterdrückung von programmiertem Zelltod eine besondere Rolle zu kommt. Deletionsmutanten für den sekretierten Effektor Pep1 sind hingegen nicht in der Lage die Epidermis zu penetrieren und verursachen zahlreiche Abwehrreaktionen, welche im programmierten Zelltod der attackierten Pflanzenzelle resultieren. Im Maispathogen Ustilago maydis ist der Virulenzfaktor Pep1 funktionell konserviert und inhibiert den PAMP-vermittelten ‚oxidative burst’ durch direkte Interaktion mit apoplastischen Peroxidasen. Infektionen von Gerste mit dem inkompatiblen Nicht-Wirt-Pathogen U. maydis führen ebenfalls zu epidermalem Zelltod, ähnlich einer hypersensitiven Antwort (HR; hypersensitive response). Diese Arbeit beschäftigt sich mit den molekularen und zellulären Prozessen in kompatiblen und inkompatiblen Ustilago/Gerste-Interaktionen. Anhand einer U. hordei Transkriptomanalyse während kompatiblen sowie inkompatiblen Interaktionen wurden 18 Kandidatengene ausgewählt, die auf eine Rolle während der Wirtsbesiedelung untersucht werden sollten. Vorläufige Ergebnisse zeigen bislang fünf Kandidaten mit einer möglichen Virulenzfunktion. Im zweiten Teil der Arbeit wurden die zellulären Reaktionen bei Gerste während Ustilago-Interaktionen untersucht. Hier wurde zwischen der kompatiblen Interaktion mit U. hordei und den inkompatiblen Interaktionen mit dem Nicht-Wirt-Pathogen U. maydis, sowie der U. hordei und U. maydis pep1-Mutante verglichen. Zwar resultiert Inkompatibilität jeweils in programmiertem Zelltod, mittels verschiedener Lebendzellfärbungen, einem enzy-matischen Aktivitätstest und Infektionen Bax Inhibitor-1 (BI-1)-überexprimierender Pflanzen konnte jedoch zwischen zwei verschiedenen Zelltodarten unterschieden werden. Während Autophagie an Zelltod bei pep1-Infektionen beteiligt ist, kommt es in Abhängigkeit von BI-1 zu Apoptose-ähnlichem Zelltod nach U. maydis-Infektion. Dies konnte mittels Transmissionselektronenmikroskopie bestätigt werden. Zusätzlich haben die Bestimmung von Wasserstoffperoxid in Apoplastenflüssigkeit und die Genregulation typischer HR-assoziierter Marker gezeigt, dass eine HR nur duch U. maydis ausgelöst wird, während pep1-Infektionen in einer basalen, PAMP-vermittelten Immunität resultieren. Demnach konnte gezeigt werden, dass verschiedene Zelltodmechanismen die Resistenz von Gerste in Abhängigkeit des infizierenden Pathogens determinieren.
- Published
- 2013