Investigation of programmed cell death mechanisms in Arabidopsis roots during colonization with Piriformospora indica

Abstract

The basidiomycete Piriformospora indica colonizes roots of a multitude of plants therebytransferring several beneficial effects such as growth promotion as well as enhanced local andsystemic resistance against pathogens (Varma et al., 1999; Waller et al., 2005; Deshmukh andKogel, 2007; Stein et al., 2008). The wide host range of P. indica implicates that the fungushas developed effective strategies to overcome plant innate immunity. Recent cytologicalstudies on P. indica-colonized Arabidopsis roots revealed that the fungus has developed aninitial biotrophic colonization strategy followed by a cell death-associated colonizationpattern (Jacobs, Zechman, Kogel, Schäfer, unpublished). It was the aim of my project toanalyze the genetic, molecular, and biochemical mechanisms of P. indica-mediated cell deathduring root colonization. Cell biological analyses uncovered an impaired ER integrity as wellas vacuolar collapse at later cell-death-associated fungal colonization stages. Subsequentpharmacological analyses confirmed ER stress induction by P. indica, but molecular andbiochemical analyses suggested suppression of ER stress signaling, known as unfoldedprotein response, by the fungus. Based on biochemical and genetic experiments, I provideevidence that colonization-associated cell death is initiated by an uncoupled ER stresssignaling. My data raises the possibility that the emerging ER stress activates a cell deathprogramme, whose execution is dependent on the caspase-1 activity mediated byvacuole-localized vacuolar processing enzymes (VPEs). I propose a model in which P. indicais impairing ER integrity to induce VPE/caspase 1-dependent cell death. In addition, thefungus might interfere with ER functionality to disturb root MAMP-triggered immunity. Thecombined inhibitory activity might ultimately enhance the fungus´ ability to colonize roots. Der Basidiomyzet Piriformospora indica besiedelt Wurzeln einer Vielzahl von Pflanzen, diedadurch ein verbessertes Wachstum sowie erhöhte lokale und systemische Resistenzgegenüber Pathogenen zeigen (Varma et al., 1999; Waller et al., 2005; Deshmukh and Kogel,2007; Stein et al., 2008). Das breite Wirtsspektrum von P. indica weist auf die Entwicklungeffektiver Strategien zur Überwindung der Pflanzenabwehr hin. Kürzlich durchgeführtezytologische Studien von durch P. indica besiedelter Arabidopsiswurzeln zeigten einezweiphasige Besiedlungsstrategie, welche durch eine initiale biotrophe gefolgt von einerZelltod-assoziierten Phase gekennzeichnet war (Jacobs, Zechman, Kogel, Schäfer,unpublished). Auf diesen Ergebnissen aufbauend war das Ziel meiner Arbeit, die genetischen,molekularen und biochemischen Mechanismen des Besiedlung-assoziierten Zelltods zuuntersuchen. Zellbiologische Studien zeigten zunächst eine beeinträchtigte ER Integrität alsauch einen vakuolären Kollaps während der Zelltod-assoziierten Wurzelbesiedlung.Nachfolgende pharmokologische Analysen bestätigten eine ER Stressinduktion durch P.indica, während molekulare und biochemische Untersuchung eine gleichzeitige,Pilz-vermittelte Suppression in der ER Stress-assoziierten Signalgebung nachwiesen.Basierend auf biochemischen und genetischen Experimenten konnte ich schließlich zeigen,dass Besiedlung-assozierter Zelltod durch eine unangepasste ER Stresssignalgebung initiertwird. Die Exekution des daraufhin ausgelösten Zelltodprogramms ist von Caspase 1 Aktivitätabhängig, welche durch vakuolär lokalisierte vacuolar processing enzymes (VPEs) vermitteltwird. In dem von mir aufgestellten Modell beeinträchtigt P. indica die ER Integrität, umVPE/Caspase 1-abhängigen Zelltaod zu induzieren. Daneben könnte eine Störung derFunktionalität des ERs durch den Pilz eine Beeinträchtigung der Wurzelabwehr zur Folgehaben. Diese kombinierte inhibitorische Aktivität führt vermutlich zu einer erhöhtenWurzelkompatibilität.