Chemisch induzierte Resistenz im Pathosystem Weizen - Echter Weizenmehltau : Cytologische und molekulare Funktionsanalyse eines Benzothiadiazols

Abstract

Durch synthetische Resistenzinduktoren wie BTH (Benzo[1,2,3]thiadiazol-7-carbothionsäure-S- methylester) und anderenFunktionsanaloga der Salizylsäure ist man heute in der Lage, das Phänomen der systemisch Induzierten Resistenz (SIR) in Pflanzen zukopieren und ihnen so einen lang anhaltenden Schutz gegenüber einem breiten Spektrum an Pathogenen zu verleihen. Die Mechanismen,welche der chemisch Induzierten Resistenz (CIR) in Getreide zugrunde liegen, sind bis heute weitgehend ungeklärt und wurden in dervorliegenden Arbeit anhand des Pathosystems Weizen- Echter Weizenmehltau cytologisch, biochemisch und molekular-biologischanalysiert. Dazu wurden zunächst die cytologischen Abwehrmechanismen, welche der CIR zugrunde liegen, aufgeklärt. Es zeigte sich, daß die CIR miteiner Steigerung der basalen Resistenz der Pflanzen durch Bildung effektiver Penetrationsbarrieren (Papillen) und hypersensitiven Zelltod(HR) nach einer Pathogenattacke einhergeht. Die Behandlung von Weizen mit BTH führt zur Expression verschiedener Gene mit teilweise unbekannter Funktion. Einige von ihnen sindspezifisch in der CIR exprimiert und werden deshalb als Markergene angesehen. Die zeitlichen und räumlichen Expressionsmuster von vierGenen konnten in Northern Analysen und in situ Hybridisierungen aufgeklärt werden. Durch den Vergleich verschiedenerApplikationsmethoden von BTH in Kombination mit Infektion durch Bgt konnten Hinweise auf die Bedeutung dieser Gene für die CIRgewonnen werden. Für WCI-3 und PR-1 konnte aufgrund der Expressionsprofile und ihrer Ähnlichkeiten zu anderen bekannten Genen gezeigt werden, daß siewahrscheinlich eine Aufgabe bei der unmittelbaren Pathogenabwehr haben. In Western Analysen konnte für PR-1 ein priming-Effektnachgewiesen werden. Das bedeutet, daß der Weizen nach einer Behandlung mit BTH, früher und stärker PR-1 akkumuliert und soeffektiver auf den Pathogenbefall reagieren kann. WCI-1 und LOX sind Gene, welche wahrscheinlich eine Rolle bei der Signaltransduktionspielen. Eine Funktion von WCI-1 in der Signaltransduktionskette nach BTH-Applikation liegt nahe, da WCI-1 früh und in räumlicherAssoziation zum Applikationsort des Induktors exprimiert wurde. Für die LOX konnte gezeigt werden, daß sie ein Schlüsselelement derCIR sein kann, da sie unabhängig von der Applikationsart des Induktors zelltypspezifisch in Leitbündelscheidezellen und direktangrenzenden Mesophyllzellen exprimiert wurde. The natural phenomenon of systemic induced resistance (SIR) is mimicked by application of the chemical BTH(benzo[1,2,3]thiadiazole-7-carbothioic acid S-methyl ester, acibenzolar-S-methyl) or other functional analogues of salicylic acid. ChemicallyInduced Resistance (CIR) in plants leads to a long lasting protection against a broad range of phytopathogens. How chemically inducedplants respond to pathogens is not well understood. Here, defence mechanisms were analysed on the cytological, biochemical andmolecular level in the pathosystem wheat - wheat powdery mildew fungus. As a result of CIR the basal resistance is increased. Wheat plants treated with BTH showed a more frequent formation of effectivepenetration barriers (papillae) and a hypersensitive reaction upon pathogen attack. BTH treatment leads to expression of a set of genes partly with unknown function. Some of these genes are used as marker genes for CIR,since they are expressed specifically after application of chemical resistance inductors. Temporal and spatial expression patterns of fourchemically induced genes were studied. Comparing different types of chemical application in combination with inoculation of Bgt,conclusions regarding the importance of these genes in defence or signal transduction could be drawn. WCI-3 and PR1 appeared to be involved directly in pathogen defence because they show similarities to antifungal proteins and areexpressed in cells at the frontline between plant and fungus. In western analyses, a priming effect for PR1 was demonstrated. This implies,that PR1 was expressed in chemically induced plants that were challenged by Bgt-inoculation stronger and earlier than in control plantswhich may contribute to effectiveness of defence. WCI-1 and LOX are genes that might be involved in signal transduction after BTHapplication. This is likely for WCI-1, because it was expressed rapidly and directly at the site of inductor application. Interestingly, LOX wasexpressed independent of the type of application, in cells of the vascular bundle sheath and the adjacent mesophyll. Therefore, thelipoxygenase might be a key enzyme engaged in local or systemic signal processing.