Piriformospora indica: Systemische Resistenz, Wachstumseffekte und Wechselwirkungen in der Wurzel : Molekularbiologische und morphologische Analysen der Interaktion des Endophyten mit Gerste (Hordeum vulgare) und Arabidopsis thaliana

Abstract

Die hier vorliegende Arbeit befasste sich mit dem Einfluss des Wurzelendophyten Piriformospora indica auf die Kulturpflanze Hordeum vulgare (Gerste) sowie die als Modellpflanze genutzte Arabidopsis thaliana und trägt dazu bei, durch den Pilz induzierte Wachstums- und systemische Resistenzeffekte sowie die Etablierung der Symbiose in der Wurzel genauer zu verstehen. Die gleichzeitige Analyse der Interaktion von P. indica mit Gerste und mit Arabidopsis ermöglichte es zudem, Übereinstimmungen bezüglich der beobachteten Effekte in der agronomisch relevanten, monokotylen Gerste und der dikoty-len Modellpflanze aufzudecken. Die Analyse der durch P. indica induzierten systemischen Resistenz gegen den Echten Mehltaupilz in Gerste erfolgte mittels einer mikroarraybasierten Transkriptomanalyse. Die Beteiligung potenzieller Resistenz- oder Kompatibilitätsfaktoren mit Wirkung auf die Mehltauentwicklung wurde anschließend durch TIGS (transient induced gene silencing) funktionell überprüft. Die systemische Resistenzinduktion durch P. indica in Arabidopsis gegen den Echten Mehltaupilz Golovinomyces orontii wurde im Rahmen dieser Arbeit am Institut erstmals etabliert und einerseits durch die Untersuchung diverser Signalwegmutan-ten und andererseits durch die Analyse des Expressionsmusters ausgewählter Gene genauer charakterisiert. Insgesamt betrachtet zeigte sowohl die Transkriptomanalyse in Gerste als auch die Analyse der Expression spezifischer Gene in Arabidopsis, dass die Besiedlung durch den Endophyten keine an der Abwehr beteiligten Gene in den Blättern der Pflanzen konstitutiv erhöht. Auch fanden sich keine Hinweise auf systemisch erhöhte Ethylen (ET)-, Jasmonsäure (JA)-, oder Salizylsäure (SA)-Konzentrationen. Des Weiteren konnte nach Inokulation mit Mehltau in beiden Systemen eine potenzierte Induktion von Genen (Priming-Effekt) nachgewiesen werden. In Gerste zeigten vor allem die pathogenresponsi-ven Gene PR-1b, PR-2 und PR-5 sowie ein Hitzeschockprotein (HSP70) eine potenzierte Reaktion in P. indica-besiedelten Pflanzen, während in Arabidopsis das vegetative Speicherprotein VSP1 verstärkt nach Pathogeninokulation exprimiert wurde. Zusätzlich konnte festgestellt werden, dass sowohl in Gerste als auch in Arabidopsis der zentrale Regulator NPR1 an der systemisch durch P. indica induzierten Resistenz beteiligt ist. In Arabidopsis wurde zudem, ähnlich zur Rhizobakterien-induzierten Resistenz (ISR), Jasmonat-Signalweg-Komponenten, eine entscheidende Rolle bei der Resistenzausprägung zugewiesen. Eine Analyse möglicher Auslöser der systemisch induzierten Resistenz zeigte, dass hierfür an P. indica-Sporen oder -Myzel befindliche MAMPs oder vom Pilz produ-zierte Effektoren in Frage kommen, da auch durch autoklaviertes Pilzmaterial Resistenz induziert werden konnte. Chitinoktamere als möglicher Auslöser wurden ausgeschlossen.Zusätzlich zur Resistenzinduktion wurde der Einfluss des Endophyten auf das Wachstum und die morphologische Entwicklung seiner Wirte genauer charakterisiert. Hierbei wurde deutlich, dass ein verstärktes Wachstum in Gerste erst nach einer Über-gangsphase sichtbar wird und P. indica eine Umsteuerung der Wurzelmorphologie hin zu mehr Seiten- und kürzeren Hauptwurzeln in Abhängigkeit von der Inokulationsdichte bedingt. Auch in Arabidopsis konnte eine Verminderung der Wurzellänge beobachtet werden. Des Weiteren ergab eine genauere Analyse der Interaktion in der Wurzel, dass die Balance zwischen P. indica und seinem Wirt zusätzlich zu bereits beschriebenen Faktoren auf der einen Seite durch Kompatibilitätsfaktoren wie Ethylen und auf der anderen Seite durch einen SA-abhängigen Abwehrmechanismen der Pflanze beeinflusst wird. Eine Verringerung der pflanzlichen Abwehrmechanismen ermöglichte vor allem zu späteren Interaktionszeitpunkten ein verstärktes Wachstum des Pilzes in der Wurzel, was auf eine aktive Limitierung des Pilzwachstums durch die Pflanze hindeutet. In einem größeren Zusammenhang ergaben sich somit sowohl durch die molekular-biologischen als auch die morphologischen Studien dieser Arbeit neue Ansatzpunkte, die in weiterführenden Forschungsansätzen vertieft und zur Entwicklung neuer Strategien zur Eindämmung von pflanzlichen Pathogenen und für den nachhaltigen Pflanzenschutz genutzt werden können. The axenically cultivable, root-colonizing mutualistic fungus Piriformospora indica leads to a better growth of its hosts and induces systemic resistance against powdery mildew. In the present work, the influence of this fungus on barley (Hordeum vulgare) and Arabidopsis thaliana was investigated and helped to better understand the establishment of symbiosis and the induction of morphological changes and systemic resistance. Further-more, the parallel investigation of the P. indica-interaction in the two plants allowed a comparison of the results from the agronomical important, monocotyledonous plant barley and the dicotyledonous model plant Arabidopsis. The analysis of the P. indica-induced systemic resistance against powdery mildew (Blumeria graminis f. sp. hordei, Bgh) in barley was performed using a transcriptome approach and allowed to identify Bgh- and P. indica-regulated genes. Potential resistance and compatibility factors identified during this approach were further characterized using TIGS (transient induced gene silencing). In Arabidopsis, the potential of P. indica to induce systemic resistance against powdery mildew (Golovinomyces orontii) was estab-lished for the first time at the institute during the course of this work. This allowed the functional analysis of signaling mutants. At the same time, the expression pattern of select genes in leaves of P. indica-colonized and non-colonized plants was monitored. In conclusion, the received results implicate that P. indica-induced systemic resistance follows similar patterns in the two analysed plants: First, the transcriptome approach in barley and the investigation of selected genes in Arabidopsis showed that colonization of plant roots with the endophyte is not leading to systemic changes in the expression of defence-related genes, which could explain the observed systemic resistance effect. Second, the results demonstrated that due to the colonization with P. indica both plants show a potentiated reaction, a so called priming-effect, after powdery mildew challenge. In barley, pathogen-responsive genes PR-1b, PR-2 and PR-5 and, additionally, a HSP70 displayed a stronger induction after pathogen challenge whereas in Arabidopsis the JA-responsive VSP1 showed a potentiated reaction. Third, the studies in course of this work revealed that in both plants NPR1 plays a role during P. indica induced systemic resis-tance. Furthermore, at least in Arabidopsis, JA-signaling components were found to be an essential factor during reistance induction. The involvement of NPR1 and JA-signaling components, together with the potentiated expression of defense-associated genes during P. indica-induced systemic resistance is a phenomenon reminiscent of rhizobacteria-induced systemic resistance (ISR). Looking for potential triggers of the P. indica-induced systemic resistance, further studies indicated that fungal MAMPs on spores or hyphae might play an important role during resistance induction, as also autoclaved fungal material induces resistance. A chitooctamer as potential trigger was excluded.In further studies, the influence of P. indica on the growth of its hosts was character-ized in more detail. These analyses revealed that the growth-promoting effect of the fungus in barley takes about two weeks, before it gets visible. Looking onto root morphology, the fungus induces changes leading to a higher number of lateral roots and to a reduced main root length. Besides, the extent of the two effects is influenced by the concentration of the primary inoculum. In agreement with these results, P. indica also induces shorter main roots in Arabidopsis. A detailed analysis of P. indica colonization-levels in different phytohormone signal-ing mutants revealed that the balance between P. indica and its host is shaped on the one hand by fungal compatibility factors like ethylene, allowing it to better colonize the plant, and on the other hand by plant defence-mechanisms depending on SA. In a broader view, the results of this thesis revealed new aspects of the P. indica plant symbiosis which will open new research areas, allowing to better understand e. g. the maintenance of the primed state. Additionally, the results might be used to develop new strategies to improve plant protection methods and to support a sustainable agriculture.