Study of N-acyl-homoserine lactones for plant protection against plant and human pathogens and their counteraction

Abstract

Nowadays, efficient disease management encompasses diverse concepts, including the activation and reinforcement of the plant immune system. Therefore, biocontrol agents integrate priming of crop plants for stronger defense and systemic responses. To ensure maximum crop yield even upon pathogen pressure, it is fundamental to understand the mode of action of new biocontrol agents. Due to the ability to modulate plant-microbe interactions, bacterial quorum sensing molecules might be a good alternative for modern plant protection strategies. Quorum sensing (QS) refers to the communication system by which bacteria regulate (in a densitydependent manner) genes involved in diverse behaviors, such as biofilm formation, antibiotic resistance or virulence. In Gram-negative bacteria, the role of QS molecules is often played by N-acyl homoserine lactones (AHLs). In plants, AHLs can induce priming for a faster and more efficient immune response against pathogens. The objective of this thesis was to study the immune response and the physiological alteration upon AHL-priming in the model plant Arabidopsis and to translate those results into important crop plants, like barley, wheat, tomato and alfalfa. Based on previous data, I chose to work with the long-chain oxo-C14-HSL and the oxo-C14-HSL-producing rhizobacterium Sinorhizobium meliloti.We could demonstrate that oxo-C14-HSL primed Arabidopsis plant for a broadspectrum resistance based on a salicylic acid/oxylipin-dependent systemic signal. In addition, oxo-C14-HSL caused enhanced production of reactive oxygen species and transcriptional activation of defense-related genes in crop plants. The outcomes of the oxo-C14-HSL-induced priming were reinforcement of plant cell wall and stomata defense response, which helped to avoid pathogen entry and proliferation. Furthermore, oxo-C14-HSL could arrest the proliferation of the human pathogen Salmonella enterica serovar Thyphimurium in Arabidopsis plants even though this resistance effect might be limited when AHL-producing S. meliloti forms a symbiotic relationship with its native plant host Medicago sativa. On the other side, Salmonella inject effector proteins into the host cells in order to manipulate the immune system. We could show that the effector protein SpvC deactivates AtMPK6 and AtMPK3.Taking together, quorum-sensing molecules have a positive impact on plants and AHL-induced resistance could be a model for plant priming and open new strategies for crop plant protection. Heutzutage umfasst effizienter Pflanzenschutz unterschiedliche Konzepte, die auch die Aktivierung und Stärkung des pflanzlichen Immunsystems beinhalten. Eine Alternative des biologischen Pflanzenschutzes ist das Konzept der Sensibilisierung (Priming) von Kulturpflanzen, welches eine Stärkung der pflanzlichen Abwehr bewirkt. Um einen maximalen Ernteertrag auch bei Pathogendruck zu gewährleisten, ist es von grundlegender Bedeutung, die molekularen Wirkungsweisen von Pflanzenschutzmitteln zu verstehen. Bakterielle Quorum Sensing Moleküle haben die Eigenschaft, Pflanzen-Mikroben-Interaktionen zu modulieren und könnten deshalb eine gute Alternative im modernen Pflanzenschutz sein. Quorum sensing (QS) ist ein Kommunikationssystem, mit dem Bakterien ihr Verhalten in einer Population steuern können und Gene regulieren, die beispielsweise für Biofilmformation, Antibiotikaresistenz oder Virulenz wichtig sind. QS Moleküle von Gram-negativen Bakterien werden meistens in Form von N-Acyl-Homoserin-Lactone (AHLs) produziert. Diese AHLs können ebenfalls von Pflanzen erkannt werden und lösen eine Sensibilisierung (Priming) zur schnelleren und effizienteren Immunantwort aus. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Immunantwort und die physiologische Veränderung der Modellpflanze Arabidopsis nach einer AHL-Sensibilisierung zu studieren und diese Ergebnisse in wichtigen Kulturpflanzen Gerste, Weizen, Tomaten und Luzerne, zu übertragen. Aufgrund existierender Daten, wurde das langkettige AHL Molekül oxo-C14-HSL und das oxo-C14-HSL-produzierende Rhizobakterium Sinorhizobium meliloti zur Behandlung von Modell- und Kulturpflanzen verwendet. Wir konnten eine oxo-C14-HSL-induzierte Resistenz von Arabidopsis Pflanzen demonstrieren und konnten zeigen, dass diese Resistenzinduktion auf der Grundlage eines Salicylsäure/Oxylipin abhängigen systemischen Signals liegt. Darüber hinaus bewirkt eine oxo-C14-HSL Behandlung bei Gerste und Weizen eine verstärkte Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies und eine transkriptionelle Regulation von verteidigungsrelevanten Genen. Das oxo-C14-HSL-induzierte Priming bewirkt eine Verstärkung der Pflanzenzellwand und eine Stomata Abwehrreaktion und verhindert somit das Eindringen des Krankheitserregers und deren Proliferation in der Pflanze. Darüber hinaus konnte oxo-C14-HSL die Vermehrung des Humanpathogens Salmonella enterica serovar Thyphimurium in Arabidopsis Pflanzen verhindern. Dieser Resistenzeffekt ist jedoch limitiert, wenn AHL-produzierende S. meliloti eine symbiotische Beziehung mit ihrem nativen Pflanzenwirt Medicago sativa eingehen. Auf der anderen Seite kann Salmonella als Pflanzenpathogen, Effektorproteine in die Wirtszellen injizieren, um das Immunsystem zu manipulieren. Wir konnten zeigen, dass das Effektorprotein SpvC die pflanzlichen Abwehrproteine AtMPK6 und AtMPK3 deaktiviert.Zusammenfassend haben Quorum Sensing Moleküle eine positive Wirkung auf Pflanzen. Außerdem ist die AHL-induzierte Resistenz ein Modell zur pflanzlichen Sensibilisierung (Priming) für schnellere und stärkere Reaktion auf kommende Stresssituationen und eröffnet somit neue Strategien im modernen Pflanzenschutz.