Chemisch Induzierte Resistenz im Pathosystem Gerste - Echter Gerstenmehltau : Identifizierung und Charakterisierung differentiell exprimierter Gene der Gerste

Abstract

Die Applikation von Salicylsäure (SA) und den synthetischen Analoga 2,6-Dichlorisonikotinsäure (DCINA) undBenzo(1,2,3)thiadiazol-7-carbothionsäure-S-methylester (BTH) führt in anfälligen Gerstensorten zu einem systemischen Schutz vor einerInfektion mit dem Erreger des Echten Gerstenmehltaus (Blumeria graminis f.sp. hordei, Bgh). Bei dieser chemisch Induzierten Resistenz(cIR) werden effektive Papillen und eine Hypersensitive Reaktion als Abwehrmechanismen nach Kontakt mit dem Pathogen verstärktgebildet. In dieser Arbeit wurden verschiedene chemische und biotische Faktoren auf ihre resistenzinduzierende Wirkung überprüft. Es zeigte sich,dass die chemische Resistenzinduktion in der anfälligen Gerstensorte Manchuria, die kein bekanntes Resistenzgen besitzt, wirksam ist.Eine biotische Induktion der Resistenz gegenüber Bgh durch den avirulenten Echten Weizenmehltaupilz war dagegen in Manchuria nichtmöglich. In einer molekularbiologischen Analyse der cIR wurden durch Suppressive Subtraktionshybridisierung Gene identifiziert, die nachApplikation chemischer Resistenzinduktoren differentiell exprimiert werden. Einige dieser Bci-Gene (barley chemically induced) waren inGerste bereits als durch DCINA induzierbar bekannt, wie Lipoxygenase (Bci-1) und Thionin (Bci-2). Andere waren in Gerste bislangunbekannt und zeigen Homologie zu sauren Phosphatasen (Bci-3, Bci-6), zu Ca2+-bindenden single EF-hand-Proteinen (Bci-4), zuSerin-Proteinaseinhibitoren (Bci-7) und zu Apyrasen (Bci-9). Die Überprüfung der Geninduktion durch verschiedene abiotische und biotische Faktoren wie Phytohormone, Verwundung und Pathogenewurde zur Charakterisierung der Gene eingesetzt. Es stellte sich heraus, dass einige der Bci-Gene über verschiedene Signalwege derPflanze induzierbar sind. In Übereinstimmung mit der im Vergleich zu BTH und DCINA schwächeren Resistenzinduktion gegenüber Bghdurch SA zeigte sich, dass auch die Induktion der Bci-Genexpression und insbesondere die von Bci-4 nach SA-Applikation schwächerwar. Homologe von Bci-4 und anderen Bci-Genen waren in Weizen nachweisbar und dort ebenfalls chemisch induzierbar. Die Ergebnisse der Geninduktionsanalysen weisen darauf hin, dass sich besonders BCI-4 für den Einsatz als verlässlicher Marker der cIRin Getreide eignet. Ein BCI-4-Fusionsprotein mit dem grün fluoreszierenden Protein (GFP) als Reporter wurde in intaktenZwiebelepidermiszellen überexprimiert, wobei die subzelluläre Verteilung der GFP-Fluoreszenz auf eine Lokalisierung von BCI-4 im ERhindeutet. In einer Funktionsanalyse von BCI-4 konnte die Überexpression in Epidermiszellen anfälliger Gerstensorten die Resistenzgegenüber Bgh erhöhen. Damit stellt BCI-4 möglicherweise ein regulatorisches Element des Signaltransduktionsweges der cIR dar, dasausreicht, um Gerstenzellen in einen erhöhten Resistenzzustand zu versetzen.

Application of salicylic acid (SA) and its synthetic mimicks 2,6-dichloroisonicotinic acid (DCINA) and benzo(1,2,3)thiadiazole-7-carbothioicacid S-methyl ester (BTH) protect susceptible barley plants systemically against infection with the powdery mildew fungus (Blumeriagraminis f.sp. hordei, Bgh). Expression of chemically Induced Resistance (cIR) is associated with plant defense mechanisms that result ineffective papilla formation and a hypersensitive response upon contact with the pathogen. In this study, different chemical and biotic factors were tested for their resistance inducing capacity. It was shown that chemical induction ofresistance is efficient in Manchuria, though the cultivar does not bear any known resistance gene. In contrast, biotically Induced Resistanceagainst Bgh with the non-host pathogen wheat powdery mildew fungus was not effective. Molecular analysis of cIR in barley using suppressive substraction hybridisation led to identification of genes that were differentiallyexpressed upon application of chemical resistance inducers. Some of these Bci genes (barley chemically induced) coding for alipoxygenase (Bci-1) and a thionin (Bci-2) were already known to be DCINA inducible, whereas others are newly described here. Theyshow homology to genes of acid phosphatases (Bci-3 and Bci-6), Ca2+ binding single EF-hand proteins (Bci-4), serine proteinaseinhibitors (Bci-7) and apyrases (Bci-9). Analyses of Bci gene expression profiles upon contact with various abiotic and biotic factors like phytohormones, wounding and pathogenswere used to characterize these genes in more detail. Some of them were inducible through different signaling pathways of the plant.Compared with DCINA and BTH, SA was shown to be a weak inducer of resistance against Bgh. This is in accordance with the weakinduction of gene expression especially regarding Bci-4. The results of gene induction analyses indicate that BCI-4 might be useful as marker for cIR in cereals. A BCI-4 fusion with greenfluorescent protein (GFP) as reporter was overexpressed in onion epidermal cells. The subcellular distribution of GFP fluorescenceseemed to be associated with the ER. In a functional gene analysis, resistance against Bgh was enhanced in susceptible barley byoverexpressing Bci-4 in epidermal cells. Thus, BCI-4 might be a regulatory element of the signal transduction pathway leading to cIR inbarley that is sufficient to mediate an enhanced resistance status of the plants.