Functional analysis of Arabidopsis thaliana matrix metalloproteinases and MORC in plant immunity

Abstract

Plant matrix metalloproteinases (MMPs) have some function in development, but their function in plant immunity remained little understood. The aim of my study in this part is to analyze the role of Arabidopsis thaliana At-MMPs in plant immunity. The studies showed that triple mutant at2, 3, 5-mmp exhibited lower level of ROS production and callose deposition than wild type plants. Furthermore, the double mutant at2, 3-mmp and triple mutant at2, 3, 5-mmp exhibited more susceptibility to necrotrophic and biotrophic fungal pathogens than single mutants at2-mmp and at3-mmp, respectively. At2-MMP overexpression could restore the resistance to necrotrophic fungal pathogen and exhibited higher levels of ROS production and callose deposition than WT plants. These results indicated that At2-MMP plays an important role in plant disease resistance and might have an additive positive effect with At3-MMP and At5-MMP on the plant immunity, suggesting that At2-MMP, At3-MMP and At5-MMP have at least partially overlapping function in plant immunity, which might be due to the overlapping of enzyme activity.MORC1 showed some function in plant immunity and gene silencing. However, whether the other homologs of Arabidopsis MORC have similar functions in resistance and gene silencing remained unclear. In this part, atmorc1 and atmorc6 mutants exhibited more susceptibility to Pst AvrRpt2 than WT plants. In contrast, atmorc2, atmorc5 and atmorc7 mutants showed a similar phenotype to Pst AvrRpt2 as WT. Similar to that displayed in DNA glycosylase REPRESSOR OF SILENCING 1 (ROS1) mutant, the expression of R gene RESISTANCE METHYLATED GENE 1 (RMG1), which is negatively regulated by RdDM, was down-regulated in atmorc mutants. It is speculated that AtMORC activate demethylation resulting in the induction of R genes. Meanwhile, the expression of a transposon gene (ATCOPIA28) and silencing-related gene SDC (suppressor of drm2 cmt3) were significantly up-regulated in atmorc1 and atmorc6 mutants in comparison to WT. However, atmorc2, atmorc5 and atmorc7 showed little or no induction of transposon gene ATCOPIA28 and silencing-related gene SDC, which was similar to that displayed in WT. Taken together, AtMORC1 and AtMORC6 might repress transcriptional gene silencing through affecting RdDM and further induce specific pathogenesis-related genes, which could affect plant immune responses to microbial infection. Pflanzliche Matrix-Metalloproteinasen (MMPs) besitzen verschiedene Funktionen in der Entwicklung, aber ihre Funktion in der Pflanzenabwehr ist bisher kaum verstanden. Das Ziel dieser Arbeit in diesem Abschnitt ist es, die Rolle von Arabidopsis thaliana At-MMPs in der pflanzlichen Abwehr zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass die Dreifach-Mutante at2,3,5-mmp niedrigere Werte für die ROS-Produktion und Kallose-Ablagerung als Wildtyp-Pflanzen aufweist. Des Weiteren besitzt die Doppel-Mutante at2,3-mmp und Dreifach-Mutante at2,3,5-mmp eine höhere Suszeptibilität gegenüber nekrotrophen und biotrophen pilzlichen Erregern als die Single-Mutanten at2-mmp beziehungsweise at3-mmp. Eine Überexpression von At2-MMP konnte die Resistenz gegenüber nekrotrophen pilzlichen Erregern wiederherstellen und besaß eine vermehrte ROS-Produktion und Kalloseablagerungen als Wildtyp-Pflanzen. Diese Ergebnisse deuten an, dass At2-MMP eine wichtige Rolle in der pflanzlichen Pathogenabwehr spielt und zusammen mit At3-MMP und At5-MMP einen additiven, positiven Effekt auf die Pflanzenimmunität hat. Daraus kann geschlossen werden, dass At2-MMP, At3-MMP und At5-MMP eine zum Teil überlappende Funktion in der Pflanzenimmunität besitzen, welche wahrscheinlich auf eine ähnliche Enzymaktivität zurückzuführen ist.MORC1 besitzt verschiedene Funktionen in der Pflanzenimmunität und ´Gene-Silencing´. Ob die anderen Arabidopsis MORC Homologe ähnliche Funktionen besitzen, ist bisher kaum erforscht. In diesem Versuchsteil zeigten atmorc1 und atmorc6 eine höhere Anfälligkeit gegen Pst AvrRpt2 als der Wildtyp. Im Gegensatz hierzu zeigten atmorc2, atmorc5 und atmorc7 einen ähnlichen Phänotyp nach Infektion mit Pst AvrRpt2 wie der Wildtyp. Ähnlich wie in der DNA Glykosylase REPRESSOR OF SILENCING 1(ROS1) dargestellt, war die Expression des R-Gens RESISTANCE METHYLATED GENE 1 (RMG1), welches negativ durch RdDM reguliert wird, geringer in den atmorc Mutanten. Es wird spekuliert, dass AtMORC die Demethylierung aktiviert und somit zu einer Induzierung von R-Genen führt. Außerdem wurde die Expression des Transposon-Gens ATCOPIA28 und Silencing-verwandten Gens SDC (suppressor of drm2 cmt3) signifikant hochreguliert in den atmorc1 und atmorc6 Mutanten verglichen mit dem Wildtyp. Im Gegensatz dazu zeigten atmorc2, atmorc5 und atmorc7 keine oder eine geringe Induzierung dieser Gene. Zusammengefasst kann behauptet werden, dass AtMORC1 und AtMORC6 transkriptionelles Gene-Silencing durch eine Beeinträchtigung von RdDM unterdrückt und im Weiteren Pathogenitäts-zugehörige Gene, die die Antwort der Pflanzenimmunität nach mikrobieller Infektion beeinträchtigen können, induziert.