Untersuchung zum molekularen Mechanismus der chemisch Induzierten Resistenz in Gerste (Hordeum vulgare L.) gegenüber dem Echten Gerstenmehltaupilz (Blumeria graminis f. sp. hordei)

Abstract

Durch die Applikation von chemischen Resistenzinduktoren kommt es in anfälligen Gerstensorten zu einer deutlich erhöhten systemischen Resistenz gegenüber dem Echten Gerstenmehltaupilz (Blumeria graminis f. sp. hordei, Bgh). Es sollten Gene identifiziert werden, die ursächlich an der Ausbildung dieser Form der Resistenz beteiligt sind und dadurch zur Aufklärung der beteiligten Signalwege beigetragen werden. Unter Verwendung von cDNA-Arrays wurden aus 1536 Genfragmenten 28 Gene identifiziert, die bislang nicht als chemisch induzierbar beschrieben waren. Für fünf dieser Gene wurde die Induzierbarkeit durch two step RT-PCRs bestätigt. Es handelt sich dabei um drei Gene mit bislang unbekannter Funktion, ein Gen mit Homologie zu Reticulon-ähnlichen Genen und eine Cysteinprotease. Ihre Beteiligung an der Resistenz der Gerste gegenüber Bgh wurde mittels transienten knock downs untersucht. Keines der unter¬suchten Gene scheint als Einzelfaktor für eine erfolgreiche Abwehrreaktion erforderlich zu sein. Ein sequenzhomologes Gerstengen zu AtEds5, welches in Arabidopsis ursächlich an der pathogen-induzierten SA-Produktion und SAR beteiligt ist, wurde ebenfalls in Gerste transient ausgeschaltet, um seine Beteiligung an der Resistenzausprägung zu überprüfen. Außerdem wurde die Funktion von HvSgt1 während der cIR in Gerste untersucht, da für Sgt1 in Gerste bereits eine Beteiligung an der R-Gen-vermittelten Resistenz gezeigt werden konnte. Des Weiteren wurden die chemisch induzierbaren Gene Bci2, ein blattspezifisches Thionin, Bci4, ein EF-hand Protein und Bci9, eine saure Phosphatase funktionell untersucht. Es standen stabil transgene Pflanzen zur Verfügung, die Bci4 überexprimieren, während Bci2 und Bci9 im transienten Transformationsassay untersucht wurden. Die transienten knock downs von Eds5 und Sgt1 haben keinen Einfluss auf die Penetrationseffizienz von Bgh. Für Bci4 und Bci9 konnte kein signifikanter Einfluss auf die Gersten-Mehltau Interaktion nachgewiesen werden, während der transiente knock down von Bci2 in BTH-behandelten Gerstenblättern zu einer erhöhten Suszeptibiltät gegenüber Bgh führt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich cDNA-Arrays eher zur Expressionsanalyse, d. h. zur Analyse der Veränderungen in der Zelle, die zur metabolischen Adaption an die Induzierte Resistenz führen, aber nicht unbedingt zur Identifizierung ursächlich an der Resistenzausprägung beteiligter Gene in Gerste eignen. Dazu wäre die Analyse von Mutanten, wie in A. thaliana seit mehreren Jahren praktiziert, besser geeignet. Allerdings ist die Generierung von T-DNA-Insertionslinien in großem Maßstab in Gerste erst in den Anfängen. The application of chemical resistance inducers leads in susceptible barley lines to higher resistance against the infection with the barley powdery mildew fungus (Blumeria graminis f. sp. hordei, Bgh). Since the signal transduction pathways of the chemical induced resistance (cIR) in monocotyledonous plants are poorly understood, the aim of this work was to identify genes that are causally related to this kind of resistance. Using cDNA-arrays with 1536 gene fragments 28 new genes were identified, that were not described before to be chemical inducible. Five of them could be verified to be chemical inducible using the method of two-step RT-PCR. The functions of three of these genes have until now not been described, one shares homology with reticulon-like genes and one is a cysteine protease. The function of the five genes according the resistance of barley against Bgh was tested using a transient transformation system for silencing the gene expression. None of the tested genes as a single factor seems to have an influence on the pathogen response. A barley gene that shows highest homology to AtEds5, which causally involved in SA-production and SAR, was also transiently knocked down to check its involvement in resistance against Bgh. HvSgt1 was also tested using transient knock down, because it is involved in the R-gene mediated resistance in barley. Additionally the function of Bci2, a leaf-specific thionin, Bci4, an EF-hand protein and Bci9, an acid phosphatase were checked. Bci4 overexpressing cereal plants were available, while Bci2 and Bci9 were checked in transient transformation assays. Transient knock downs of the Eds5-homologue and HvSgt1 have no effect on penetration efficiency of Bgh. Overexpression of the three Bci-genes has also no effect on the resistance against Bgh. Just the transient knock down of Bci2 in BTH-treated barley leaves lead to higher susceptibility against Bgh. cDNA-arrays are a good tool for expression analysis in barley, e. g. for the changes concerning metabolic adaptation to the induced resistance, but they are not suitable for the identification of genes that are causally related to resistance in barley. A mutant screen as it is done in A. thaliana for many years would more appropriate. But the construction of mutant libraries in barley is still on the way.