Penetration resistance and cell death regulation in interactions of cereals with the powdery mildew fungus

Abstract

In context to a growing world population and loss of arable land it is challenging to make food production more safe, environmentally compatible and healthy for the consumer as well as for the producer. Since plant diseases are still threatening these aims, it is of outstanding importance to understand the molecular and physiological basis of crop diseases and resistance. Therefore, this work focussed on the analysis of these aspects in the interaction of barley and wheat with powdery mildew fungi. The first part of this work deals the role of reactive oxygen intermediates in the interaction of barley and wheat with inappropriate and appropriate formae speciales of Blumeria graminis. The use of susceptible barley mutants as well as the comparison of host with non-host resistance allowed to link H2O2 accumulation with host and non-host resistance whereas the role of O2 - appears to be rather diverse. In the second part the isolation and characterisation of candidate genes with a potentially essential role in the interaction of barley with Blumeria graminis f.sp. hordei (Bgh) is described. The candidate approach followed a reverse genetics strategy starting with mRNA sequences in public databases. This led to the isolation of a set of copy DNA sequences. Some of the corresponding genes were strongly expressed in response to attack from Bgh. Functional analysis based on microprojectile mediated single-cell transformation with subsequent challenge of transformed cells by Bgh led to characterisation of some genes as potential resistance or susceptibility factors. The barley family of RAC/ROP-type small GTPases was characterised in detail. The role of the gene products is discussed with respect to penetration resistance and in particular with respect to their role in production of reactive oxygen intermediates and in cytoskeleton rearrangement. The third part deals with the role of the cell death regulator protein BAX Inhibitor 1 (BAX: BCL-2 associated X protein; BCL-2: B-cell lymphoma protein-2) in barley susceptibility to B. graminis. The corresponding barley mRNA was isolated from leaf tissue and found to accumulate after powdery mildew attack and to transiently disappear after root treatment with a synthetic resistance activator. Importantly, over-expression of barley BAX Inhibitor 1 weakened background resistance of barley to Bgh, broke mlo-mediated penetration resistance and additionally broke non-host resistance to the wheat pathogen B. graminis f.sp. tritici (Bgt). BAX Inhibitor 1 was further analysed based on its amino acid sequence and literature data. This tagged BAX Inhibitor 1 as an ancient cell death suppressor protein conserved in all higher eukaryotes, and traces its origin back to possibly prokaryotic ancestor proteins. The last part of this work deals with non-host resistance and its mechanistic overlap with host resistance to B. graminis. In this regard, the studies concentrated mainly on the role of the genes mlo, ror1 and ror2, whose role in resistance to Bgh is well established, in response to Bgt. Besides this, a set of different barley accessions was compared for their non-host resistance phenotypes in response to Bgt. Taken together, a similar role for ror1 and ror2 in host and non-host resistance to B. graminis was observed. Additionally, the multiplicity of different non-host defence reactions observed provoked the assumption that non-host resistance to Bgt is based on diverse defence pathways in barley. Vor dem Hintergrund einer wachsenden Weltbevölkerung und dem andauernden Verlust kulturfähiger Flächen ist es eine große Herausforderung, Pflanzenproduktion sicherer, umweltweltfreundlicher und sowohl für den Konsumenten als auch für den Produzenten gesünder zu gestalten. Weil Pflanzenkrankheiten diesen Zielen heute immer noch im Wege stehen, ist es von außerordentlicher Bedeutung, die physiologischen und molekularen Grundlagen von Krankheit beziehungsweise Resistenz zu verstehen. Aus diesem Grund konzentriert sich diese Arbeit auf die Analyse solcher Aspekte in der Interaktion von Getreidepflanzen mit Echten Mehltaupilzen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Rolle Reaktiver Sauerstoffintermediate in der Interaktion von Gerste und Weizen mit passenden und unpassenden formae speziales von Blumeria graminis beleuchtet. Die Verwendung anfälliger Mutanten der Gerste und der Vergleich von Wirt- und Nichtwirtresistenz zeigte eine enge Verknüpfung von H2O2 Akkumulation und effektiver Pathogenabwehr, wohingegen O2 - eine ambivalente Rolle in Resistenz und Anfälligkeit zu haben schien. Im zweiten Teil ist die Isolierung und Charakterisierung von Kandidatengenen mit möglicherweise regulatorischer Funktion in der Interaktion von Gerste und Blumeria graminis f.sp. hordei (Bgh) beschrieben. Der Kandidatengenansatz ging von öffentlich zugänglichen Gersten-Sequenzinformationen aus und führte zur Isolierung verschiedener mRNA-DNS-Kopien. Einiger der entsprechenden Gene waren stark durch Mehltaubefall induziert. Eine funktionelle Analyse durch Partikelbeschuss-vermittelte Einzelzelltransformation und anschließende Inokulation mit Bgh führte zur Charakterisierung einiger Gene als Resistenz- beziehungsweise Anfälligkeitsfaktoren. Die Gersten-RAC/ROP Familie kleiner GTPasen wurde im Detail analysiert. Die Rolle der Genprodukte wird in Bezug auf die Produktion reaktiver Sauerstoffintermediate und auf die Zytoskelettorganisation diskutiert. Der dritte Teil der Arbeit befasst sich mit der Rolle des Zelltodregulatorproteins BAX Inhibitor 1 (BAX: BCL-2 associated X protein; BCL-2: B-cell lymphoma protein-2) in der Anfälligkeit der Gerste gegen B. graminis. Die entsprechende mRNA wurde aus Blattgewebe isoliert und zeigte erhöhte Abundanz nach Mehltauinfektion. Die BAX Inhibitor 1 Expression wurde außerdem durch einen synthetischen Resistenzinduktor supprimiert. Interessanterweise, führte die Einzelzellüberexpression des BAX Inhibitor 1 Gens in Gerste zum Bruch sowohl mlo-vermittelter Penetrationsresistenz gegen Bgh als auch der Nichtwirtresistenz gegen Blumeria graminis f.sp. tritici (Bgt). Das BAX Inhibitor 1 Protein wurde außerdem aufgrund seiner Aminosäuresequenz und anhand von Literaturdaten als entwicklungsgeschichtlich alter Zelltodsuppressor mit möglicherweise prokaryotischem Ursprung beschrieben. Im letzten Teil der Arbeit wird die Nichtwirtresistenz gegen unpassende Mehltauvarianten genauer beleuchtet. Diesbezüglich konzentrierten sich die Arbeiten hauptsächlich auf die Rolle der Gene mlo, ror1, und ror2, deren Rolle in der nicht spezifischen Wirtresistenz gut beschrieben ist. Darüber hinaus wurde eine Reihe von Gerstenkultivaren auf ihren Nichtwirtresistenzphänotyp untersucht. Insgesamt zeigte sich, dass ror1 und ror2 in Wirt- und Nichtwirtpenetrationsresistenz gegen B. graminis eine ähnliche Rolle spielen. Zusätzlich zeigte die Vielzahl unterschiedlicher Abwehrmechanismen in verschieden Gerstenkultivaren, dass die Nichtwirtresistenz gegen Bgt vermutlich über eine Vielzahl von Signalwegen reguliert ist.