Genexpressionsstudien und funktionelle Analysen in den Pathosystemen Arabidopsis thaliana bzw. Gerste (Hordeum vulgare L.) - Fusarium

Abstract

Die Getreidepathogene Fusarium culmorum (Fc) und F. graminearum (Fg) sind Generalisten, die durch partielle oder vollständige Taubährigkeit, Wurzel- und Halmbasisfäule hohe Ertragsverluste sowie die Kontamination des Getreides mit verschiedenen Mykotoxinen verursachen. Zunächst wurde im Rahmen dieser Arbeit die Expression von 1500 verschiedenen Genen der Gerste als Antwort auf eine Fc-Blattinfektion vergleichend mit je einem Fc-anfälligen bzw. einem weniger stark Fc-anfälligen Kultivar in macroarray-Analysen untersucht. Anschließend wurde die Expression ausgewählter Kandidatengene mittels semi-quantitativer RT-PCR in Blättern und Ähren von Gerste und Weizen überprüft. Dabei zeigten drei Kandidatengene ein Expressionsmuster, das mit Resistenz bzw. Suszeptibilität der untersuchten Getreidekultivare gegenüber Fc korrelierte. Zwei dieser Gene waren im jeweils weniger Fc-anfälligen Kultivar stärker induziert: ein RELA-Homolog, das vermutlich in die Produktion eines schnell aktivierten Transkriptionsfaktors involviert ist, sowie ein putatives CYANASE-Gen, das vermutlich Fc-förderndem Zelltod entgegenwirkt. Die funktionelle Analyse bestätigte die Relevanz des RELA-Homologs zur Abwehr von Fc in Arabidopsis. Ein vSNARE11 war dagegen im jeweils anfälligeren Kultivar induziert, im jeweils resistenteren dagegen nicht exprimiert (Gerste) bzw. nicht differentiell exprimiert oder reprimiert (Weizen). In weiteren Untersuchungen wurden zum einen Funktionsanalysen im System Arabidopsis Fc bzw. F. oxysporum f.sp. matthiolae mit Arabidopsis knock-out Mutanten Zelltod-fördernder bzw. inhibierender Gene durchgeführt. Dies ergab eine erhöhte Resistenz gegenüber Fc durch Suppression des Zelltods sowie eine erhöhte Suszeptibilität durch vermehrten Zelltod in Arabidopsis gegenüber beiden Pathogenen. Zum anderen wurde die Beteiligung der Salizylat (SA)-, Jasmonat (JA)- bzw. Ethylen (ET)-abhängigen Signaltransduktionswege an der Abwehr von Fusarium untersucht. Die hier erzielten Ergebnisse belegen, dass der JA-Weg zur Abwehr beider Pathogene am wichtigsten ist. Dies ist vermutlich einerseits auf die JA-vermittelte Expression von Abwehrgenen zurückzuführen sowie andererseits auf eine mögliche Blockade von ET- bzw. SA-vermitteltem Zelltod. Auch der SA-Signalweg zeigte einen positiven Effekt auf die Resistenz von Arabidopsis gegenüber Fc und Fom, was vermutlich durch die SA-vermittelte PR-Genexpression zu erklären ist. Der ET-Signalweg hat, wenn überhaupt, eher eine antagonistische Wirkung im Pathosystem Arabidopsis Fusarium, da er eine schwache Blockade des wichtigen JA-Signalwegs bewirkt und zudem eventuell zelltodfördernd wirkt.Daneben wurde der Einfluss einer Wurzelinfektion durch Fg sowie der Besiedelung durch den Wurzelendophyten Piriformospora indica (Pi) auf Wachstum, Entwicklung, Chlorophyllgehalt sowie den Ertrag von Gerste untersucht. Abgesehen vom Chlorophyllgehalt wurden alle Parameter durch Fg insgesamt negativ, durch Pi positiv beeinflusst. Bei gleichzeitiger Inokulation mit Fg und Pi wurde der negative Effekt durch Fg nicht nur aufgehoben, sondern zudem Wachstums- und Ertragssteigerungen sowie eine schnellere Entwicklung erzielt, die mit denen von Pflanzen, die nur mit Pi inokuliert worden waren, vergleichbar waren. The crop pathogens Fusarium culmorum (Fc) and F. graminearum (Fg) are generalists, which cause considerable yield losses by partial or complete head blight, root and foot rot as well as contamination of grain with mycotoxins. In this work, the expression of 1536 different barley genes 24 hours after Fc-leaf inoculation was compared in a Fc-susceptible and a less Fc-susceptible cultivar, by using macroarrays. The expression of selected candidate genes was then verified via semi-quantitative RT-PCR in leaves and ears of barley and wheat. Three candidate genes showed an expression profile that correlated with the resistance or susceptibility in the investigated crop cultivars to Fc, respectively. Two genes showed a stronger induction in the less Fc-susceptible cultivar: a RELA-homologue that is probably involved in the production of a fast activated transcription factor, and a putative CYANASE which most likely antagonizes Fc-promoted cell death. The functional analysis confirmed the relevance of the RELA-homologue in the defense of Arabidopsis against Fc. On the other hand a vSNARE11 was induced in the more susceptible cultivar, but not expressed in the more resistant barley plants and not differentially expressed or repressed in wheat after Fc-inoculation. Further investigations were carried out in the interaction of Arabidopsis with Fc and F. oxysporum f.sp. matthiolae (Fom) respecively, using Arabidopsis knock-out mutants defective in cell death promoting or inhibiting genes. These experiments revealed that suppression of cell death enhances resistance to Fusarium while vice versa susceptibility to both pathogens investigated is increased by accelerated cell death in Arabidopsis. Moreover the participation of salicylate (SA), jasmonate (JA) and ethylen (ET) depending signal transduction pathways in the defense against Fc and Fom in Arabidopsis was analysed. The results of this study supported the importance of the JA-pathway in the defense against both pathogens. This is probably due to the JA-mediated expression of defense genes and to the blockade of ET- or SA-mediated cell death. In addition the SA-signalling pathway showed a positive effect on the resistance of Arabiodpsis against Fc and Fom which can be explained by SA-mediated PR-gene expression. The ET-signalling pathway was, if at all, antagonistic within the pathosystem Arabidopsis Fusarium maybe because of the weak block of the important JA-pathway and the postulated cell death promoting role of ET. In additional experiments the influence of root infection by Fg and colonization by the root endophyte Piriformospora indica (Pi) on growth, development, chlorophyll content and yield of barley was investigated. Besides the chlorophyll content all other parameters were negativey influenced by Fg, Pi had the opposite effect. Concomitant inoculation with Fg and Pi abolished the negative effect of Fg and resulted in enhancement of growth and yield as well as faster development comparable to the effect achieved by exclusive Pi-infection.