Cell polarity in plant defense and fungal pathogenesis in the interaction of barley with powdery mildew fungi

Abstract

Der biotrophe Gerstenmehltaupilz Blumeria graminis f. sp. hordei (Bgh) befällt Epidermiszellen von Gerste (Hordeum vulgare L.). Bgh dringt in anfällige Gerste über Penetration von lebenden Zellen ein. Die Zellen bleiben intakt, während der Pilz sich ernährt und reproduziert. Pflanzenzellen, die auf einen Pilzangriff antworten, durchlaufen intrazelluläre Umgestaltungen, die zur Zellpolarisation und Bildung von Zellwandappositionen als frühe Verteidigunsmaßnahme führen. Diese Änderungen werden oft über ein dynamisches Zytoskelett vermittelt. Färbungen von Aktin mit fluoreszenzmarkiertem Phalloidin zeigten, dass Aktinfilamente in resistenten Wirtspflanzen hin zu Orten der versuchten Penetration polarisiert werden. In zugänglichen Wirten finden bei Penetration subtilere Aktinumgestaltungen um pilzliche Haustorien statt. Dies lässt eine Rolle der Aktinumgestaltung des Wirtes sowohl in Penetrationsresistenz als auch bei Haustorienetablierung vermuten. Die Aktinfokussierung war weniger häufig and scheinbar verzögert in anfälliger Gerste, die den Suszeptibilitätsfaktor MLO exprimiert. Zusätzlich führte Einzelzellüberexpression des konstitutiv aktivierten RAC/ROP G-Proteins, CA RACB, einem weiteren potenziellen Suszeptibilitätsfaktor und hypothetischen Aktinregulator, zu teilweise inhibierter Aktinreorganisation nach Attacke durch Bgh, wohingegen 'knockdown' von RACB die Aktinfokussierung förderte. Demnach könnten, während der Abwehr von pilzlichen Pathogenen, RACB und potenziell MLO in die Modulation von Aktinumgestaltung und Zellpolarität involviert sein. Zellpolarität scheint auch eine wichtige Rolle in der Pathogenese des Pilzes zu spielen und stellt ein mögliches Ziel für neue Fungizide dar. Die Wirkungsweise eines neuen systemischen, von Benzophenon abgeleiteten Fungizides, Metrafenone, wurde in Bgh analysiert. Es wurde gezeigt, dass Metrafenone eine außergewöhnliche Kombination aus schützender, eradikativer und kurativerWirkweise liefert. Dies bietet eventuell neue Ansätze zur effektiven Kontrolle von Mehltaupilzen. Metrafenone war dabei effizienter als herkömmliche Fungizide. Metrafenone reduzierte signifikant die Keimung und blockierte die Pilzentwicklung nach der Bildung von Appressorium, die mehr Lappen aufwiesen und weniger häufig penetrierten. Das Fungizid induzierte Schwellen, Platzen und Kollaps von Hyphenspitzen. Die Hyphenspitzen und sekundäre Appressorien waren auch häufig gegabelt. Die zytologische Analyse zeigte, dass Metaferone zum Zusammenbruch der F-Aktin Kappe, zur Schwächung der Zellwand am Apex und zur Beeinflussung von apikalen Vesikeln führte. Auf Metrafenone behandelten Blättern war die Sporulation inhibiert und Konidiophoren wiesen unregelmäßige Septierung, vielkernige Zellen und Delokalisation von Aktin auf. Es wurde gezeigt, dass der potenzielle Wirkort von Metrafenone in die Morphogenese der Hyphen involviert ist und in Initiierung und Aufrechterhaltung von zellulärer Polarität. Metrafenone stört wahrscheinlich einen Signalweg zur Regulierung und Polarisation des Aktinzytoskelettes. The biotrophic barley powdery mildew fungus Blumeria graminis f. sp. hordei (Bgh) attacks epidermal cells of barley (Hordeum vulgare L.). Bgh invades susceptible barley by penetrating living cells, which remain intact during the period of fungal nourishment and reproduction. Plant cells responding to fungal attack undergo intracellular morphological rearrangements that lead to cell polarization and cell wall apposition formation as the first line of defence. These changes are often mediated by a dynamic cytoskeleton. Staining of the actin cytoskeleton with fluorescence-labelled phalloidin showed that the actin filaments were polarized to the sites of attempted penetration in the resistant host whereas in susceptible hosts, when penetrated, more subtle reorganization took place around fungal haustoria. This suggests a role for host actin remodelling in both penetration resistance and haustorium establishment. Actin focusing was less frequent and seemingly delayed in susceptible wild type barley expressing the susceptibility factor MLO. Additionally, single cell overexpression of a constitutively activated RAC/ROP G-protein, CA RACB, another potential host susceptibility factor and hypothetical actin cytoskeleton regulator, partly inhibited actin reorganization under attack from Bgh whereas knockdown of RACB promoted actin focusing. Thus, RACB and potentially, MLO might be involved in the modulation of actin remodelling and cell polarity during defence against fungal pathogen. Cell polarity appears to play also an important role in the fungal pathogenesis and represents a potential target for new fungicides. The mode of action of a novel systemic benzophenone-derivated fungicide, metrafenone has been analyzed on Bgh. It has been revealed that metrafenone represents an exceptional combination of protective, eradicative and curative performance, which offers a new tool of effective control of powdery mildew fungi. Metrafenone was more efficient than most conventionnel fungicides. Metrafenone significantly reduced germination and blocked development beyond formation of appressoria, which showed more lobes and penetrated less often. The fungicide induced swelling, bursting and collapse of the hyphal tips. Hyphal tips and secondary appressoria were also frequently bifurcated. A cytological analysis showed that metrafenone caused disruption of the F-actin cap, weakening of the cell wall at the apex and affection of the apical vesicles. On metrafenone-treated leaves, sporulation was inhibited and the conidiophores presented irregular septation, mutinucleate cells, delocalization of actin. It could be demonstrated that the potential target of metrafenone is involved in hyphal morphogenesis and the initiation and maintenance of cell polarity. Metrafenone likely disturbs a pathway regulating organization or polarization of the actin cytoskeleton.