Molekulare Analyse der kompatiblen Interaktion von Piriformospora indica mit Gerste (Hordeum vulgare L.)

Abstract

Der mutualistische Basidiomyzet Piriformospora indica ist ein Wurzelendophyt, dessen Besiedlung verschiedene positive Auswirkungen auf seine Wirtspflanzen hat. So kommt es zu einer Wachstumssteigerung in Wurzel und Spross sowie zu einer lokalen und systemischen Resistenzinduktion gegen verschiedene Pathogene (Baltruschat et al., 2008; Deshmukh und Kogel, 2007). Zur Aufklärung der molekularen Mechanismen der Interaktion von P. indica mit Gerstenwurzeln wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine auf Microarrays basierende Transkriptomanalyse mit Material aus P. indica-besiedelten Wurzeln durchgeführt. Alle 1107 daraus resultierenden differentiell regulierten Transkripte zu den drei, in Anlehnung an das Besiedlungsschema des Pilzes ausgewählten Zeitpunkte 1, 3 und 7 dai ( days after inoculation ), wurden aufgrund ihrer jeweiligen Annotation 15 verschiedenen funktionellen Kategorien zugeordnet. Dabei zeigte sich neben vielen der Phytohormonsynthese und -signalwegen zugeordneten Transkripten eine hohe Zahl an Abwehr-/Stress-bezogenen Genen. Deren Expressionsmuster stellte sich jedoch bei näherer Betrachtung meist als transient, d.h. nur zu Beginn der Besiedlung mit P. indica induziert, heraus. Somit werden zu Beginn der Interaktion zwar verschiedene Abwehrreaktionen in der Pflanze ausgelöst, jedoch im weiteren Verlauf der Besiedlung wieder unterdrückt. Außer den Abwehr-bezogenen Transkripten induziert P. indica in den Gerstenwurzeln viele Transkripte, die dem Biosyntheseweg der Gibberelline zugeordnet werden konnten. Darum wurde die P. indica-Besiedlung und Genexpression in Gerstemutanten mit Defekten in der GA-Biosynthese und dem GA-Signalweg untersucht. Dabei konnten zwei Linien mit defekter GA-Signalgebung identifizert werden, die eine reduzierte P. indica Besiedlung aufwiesen: M121, eine Mutante des GA-Rezeptors GID1 und M640, eine Mutante des SLENDER-Proteins, einem negativen Repressor des GA-Signalweges. Zudem zeigte eine Linie mit einem Defekt in der GA-Biosynthese, M117, ebenfalls eine reduzierte Besiedlung mit P. indica. Darüber hinaus war die Chlamydosporenneubildung des Pilzes in den Rhizodermiszellen der Linie M121 zu einem späteren Zeitpunkt der Interaktion fast vollständig inhibiert. Zusätzlich wurde durch Expressionsanalysen mit quantitativer real-time PCR nachgewiesen, dass P. indica über die GA-Signalgebung bzw. GA-Biosynthese einen Einfluss auf das Gleichgewicht zwischen Salizylsäure- und Jasmonsäure-abhängigen Genexpressionsmuster und damit auch auf die entsprechenden Abwehrreaktionen hat. Da die Daten der Transkriptomanalyse aufgrund der transienten Expressionsmuster der Abwehr- und Stress-bezogenen Gene eine Unterdrückung der pflanzliche Immunabwehr durch P. indica zeigten, wurde die Induktion des oxidative burst als eine frühe Reaktion der pflanzlichen MAMP-triggered Immunity in P. indica-besiedelten Wurzeln untersucht. In Wurzeln des Wildtyps Himalaya, aber auch in Wurzeln der Linie M640 wurde dabei eine fast vollständige Unterdrückung der H2O2-Produktion nach Zugabe des Elizitors Chitin beobachtet.

The basidiomycete Piriformospora indica is an endophytic fungus, which colonizes roots and thereby causes several mutualistic benefits such as growth induction and enhanced local and systemic resistance against pathogens (Baltruschat et al., 2008; Deshmukh und Kogel, 2007). To investigate the interaction of P. indica with barley roots on the molecular level, a microarray-based transcriptome analysis of P. indica colonized barley roots has been conducted. According to the fungal colonization pattern, samples were taken 1, 3 and 7 days after inoculation. Altogether, 1107 genes were identified as differentially regulated and, based on their annotation, classified into 15 functional groups. Besides the high number of genes related to phytohormone synthesis and signaling, many defence/ stress related genes were found to be regulated in P. indica colonized roots. The expression profiles of those transcripts were mostly transient, showing induction only at the first interaction stage. Therefore, P. indica induces several defence reactions which are, however, suppressed at later time points. In particular, genes of the gibberelline biosynthesis pathway were found to be induced by P. indica. To examine whether GA signaling is functionally involved in the P. indica-barley interaction, root colonization and gene expression in barley GA mutant lines with defects in GA synthesis and signaling were examined. Two lines with defects in GA signaling, the GID1 receptor line M121 and the SLENDER1 mutant M640, but also the GA biosynthesis deficient mutant M117, showed a reduced fungal colonisation. Moreover, the formation of fungal chlamydospores in rhizodermal cells was nearly completely inhibited in line M121 at later stages of the interaction. In addition, gene expression analysis revealed, that P. indica modulates the balance between salicylic acid and jasmonic acid dependent defence reactions via the GA signaling pathway. Since the transcriptome data displayed a suppression of plant immune responses during interaction, the influence of P. indica on the MAMP-triggered oxidative burst in barley roots was analyzed. These experiments demonstrated a suppression of chitin-induced H2O2-production in roots colonized by P. indica compared to non-infected controls.