Dokument: On the role of amino acids in plant disease resistance: Interplay between pipecolic acid and salicylic acid in plant systemic acquired resistance
| Titel: | On the role of amino acids in plant disease resistance: Interplay between pipecolic acid and salicylic acid in plant systemic acquired resistance | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=34063 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20150413-132153-9 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Bernsdorff, Friederike [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Zeier, Jürgen [Gutachter] Prof. Dr. Feldbrügge, Michael [Gutachter] | |||||||
| Stichwörter: | systemic acquired resistance, pipecolic acid, salicylic acid, amino acids, plant resistance, photosynthesis | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 580 Pflanzen (Botanik) | |||||||
| Beschreibungen: | Summary:
Recognition of microbes by plants leads to both local and systemic immune responses. Systemic acquired resistance (SAR) is a long-lasting, broad-spectrum disease resistance that occurs in uninfected parts of the plant. The establishment of SAR requires the accumulation of the phenolic compound salicylic acid (SA) in distal leaves, but SA itself is not the mobile signal. A number of potential SAR signals have recently been proposed in the last decade, such as methyl salicylate (MeSA), dehydroabietenal (DA), glycerol-3-phosphate (G3P), azelaic acid (AzA) and the lipid transfer protein DEFECTIVE IN INDUCED RESISTANCE 1 (DIR1), but the true identity of the mobile signal is still controversial. Our laboratory has recently identified the lysine (Lys)-derived non-proteinogenous amino acid pipecolic acid (Pip) as a novel important regulator of local and systemic acquired resistance, as well as defense priming, in Arabidopsis thaliana. In addition to Pip, massive changes in free amino acid levels were also observed upon pathogen recognition, revealing an unexpected role for these molecules in plant immunity. In this thesis, we investigated the role of free amino acids during plant defense, the mechanisms underlying Pip-induced resistance, and the relationship between Pip and SA during SAR and defense priming in Arabidopsis thaliana. We observed that the profile of amino acids changes was similar when plants were treated with virulent or avirulent strains of the bacterium Pseudomonas syringae pv. maculicola, or upon treatment with the bacterial pathogen-associated molecular pattern (PAMP) flg22. To test whether pathogen-induced free amino acid changes depend on immune hormone signaling pathways, we measured free amino acid levels in mutants affected in SA, jasmonic acid or ethylene biosynthesis and/or signaling. Interestingly, the lipase-like PHYTOALEXIN-DEFICIENT4 (PAD4) differentially regulated changes of distinct amino acids, revealing an unexpected uncoupling of amino acid induced biosynthesis during defense. To uncover the relationship between Pip and SA, we monitored amino acid levels and gene expression changes in distal leaves of the SA-deficient mutant sid2-1 during SAR. Surprisingly, we observed that it still exhibited a systemic increase in Pip levels, an increased expression of the genes encoding AGD2-LIKE DEFENSE RESPONSE PROTEIN1 (ALD1; as an important Pip biosynthetic enzyme) and FLAVIN-DEPENDENT MONOOXYGENASE1 (FMO1; as a critical regulator of Pip-mediated resistance), and resistance induced by exogenous Pip treatment, albeit to lower levels than in wild-type distal leaves. Furthermore, we found that Pip and SA contributed additively to basal resistance, and that SA-deficient mutants exhibited a modest, but significant SAR response, which was otherwise absent in Pip-deficient mutants. Together, these results indicate an SA-independent role of Pip during SAR. To further study this novel SA-independent regulatory node of SAR, we analyzed transcriptional changes during SAR in wild-type, SA- and Pip-deficient plants. We observed a transcriptional reprogramming in distal leaves and found that SAR as a state with activated defense responses was further associated with decreased photosynthesis rates and anabolic metabolism. Interestingly, we identified a subset of SAR genes whose expression was partially SA-independent, and strikingly observed that the Pip-deficient mutant ald1 hardly mounted any transcriptional reprogramming during SAR, confirming that Pip is an SA-independent, central regulator of gene expression during SAR. We further wanted to characterize the role of Pip in the priming of defense responses by SAR. We found that defense priming is orchestrated by Pip and FMO1 in both an SA-dependent and -independent manner. Combined and single treatments with Pip and SA revealed that they employ two distinct pathways that lead to a synergistic effect on the priming of PR1 gene expression and disease resistance. Lastly, we sought to characterize the close ALD1 homolog, the diaminopimelate-aminotransferase ABERRANT GROWTH AND CELL DEATH 2 (AGD2) and found that agd2 accumulates an unknown compound that may partly explain the constitutive disease resistance observed in this mutant. To gain further insight in the enzymatic processes of the Pip biosynthetic pathway, we selected candidate genes with a potential role upstream and downstream of Pip biosynthesis based on expression patterns and homology in other organisms. Despite altered Pip levels, mutant lines in these genes did not show impaired SAR, suggesting potential functional redundancy and/or the involvement of other enzymes. Finally, we examined the sub-cellular localization of ALD1 and FMO1, which are required for Pip accumulation and signaling, respectively. We found that ALD1 localizes in the chloroplasts and FMO1 in the endoplasmic reticulum, suggesting that Pip biosynthesis and signaling act in different organelles. In summary, this thesis revealed Pip as a crucial regulator of local and systemic immunity and priming against bacteria, that acts via both SA-dependent and -independent pathways.Zusammenfassung: Die Erkennung von Mikroorganismen hat eine lokale und systemische Immunantwort in Pflanzen zur Folge. Systemisch erworbene Resistenz (SAR = Systemic acquired resistance) ist eine langfristig Abwehrreaktion, die wirksam gegen einen breiten Kreis von Pathogenen in nicht-infizierten Teilen der Pflanze ist. Für die Etablierung von SAR bedarf es der Akkumulation des phenolischen Phytohormons Salicylsäure (SA = Salicylic acid) im distalen Blatt. SA selbst ist jedoch nicht das mobile SAR-Signal. Eine Reihe anderer potentieller Kandidaten, wie etwa Methylsalicylat (MeSA), Dehydroabietinal (DA), Glycerol-3-Phosphat (G3P) und das Lipidtransferprotein DEFECTIVE IN INDUCED RESISTANCE 1 (DIR1), wurden innerhalb der letzten 10 Jahre diskutiert, die wahre Identität des SAR-Signals konnte bis jetzt jedoch nicht geklärt werden. Vor Kurzem wurde in unserer Arbeitsgruppe die von Lysin abgeleitete, nicht proteinogene Aminosäure Pipecolinsäure (Pip) als wichtiger Regulator von lokaler und systemisch erworbener Resistenz und Abwehrpriming in Arabidopsis thaliana identifiziert. Eine massive Änderung freier Aminosäurelevel, inklusive Pip, nach Pathogenerkennung, verdeutlicht die unerwartete Rolle von Aminosäuren in der Pflanzenimmunität. In dieser Arbeit wird die Rolle freier Aminosäuren während der Pflanzenabwehr, die Mechanismen die hinter der Pip-induzierten Resistenz stehen und die Beziehung zwischen Pip und SA während SAR und Abwehrpriming in Arabidopsis thaliana untersucht. Wir konnten zeigen, dass das Aminosäureprofil nach der Infektion mit virulenten oder avirulenten Stämmen des Bakteriums Pseudomonas syringae pv. maculicola, oder nach Behandlung mit dem bakteriellen Pathogen-assoziierten molekularen Muster (PAMP = Pathogen associated molecular pattern) flg22, sehr ähnlich war. Um zu überprüfen, ob diese durch Pathogene induzierten Änderungen der Aminosäuregehalte von hormonellen Signalwegen abhängen, haben wir Mutanten, beeinträchtigt in der Biosynthese, oder Signalweitergabe von SA, Jasmonsäure und Ethylen, für unsere Analysen verwendet. Interessanterweise regulierte das lipase-ähnliche Protein PHYTOALEXIN-DEFICIENT4 (PAD4) die Akkumulation bestimmter Aminosäuren und deutete dadurch auf eine unerwartete Entkopplung der Aminosäurebiosynthese während der Pflanzenabwehr hin. Um die Beziehung zwischen Pip und SA zu entschlüsseln wurden die Aminosäuregehalte und die Expression von Abwehrgenen in distalen Blättern der SA-defizienten Mutante sid2-1 während der SAR untersucht. Überraschenderweise konnten wir eine systemische Akkumulation von Pip, eine Erhöhung der Expression von AGD2-LIKE DEFENSE RESPONSE PROTEIN1 (ALD1; spielt eine wichtige Rolle in der Pip-Biosynthese) und FLAVIN-DEPENDENT MONOOXYGENASE1 (FMO1; entscheidend für die Regulation von Pip-vermittelter Resistenz), wie auch eine Erhöhung der Resistenz durch externe Pip-Gabe feststellen, wenn auch zu einem niedrigeren Niveau als in Blättern des Wildtyps. Weiterhin konnten wir einen additiven Beitrag von Pip und SA innerhalb der basalen Resistenz und eine moderate, jedoch signifikante SAR-Antwort, die in Pip-defizienten Mutanten fehlte, in sid2-1 feststellen. Zusammengefasst deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass eine SA-unabhängige Rolle für Pip während der SAR existiert. Um diesen neuen Aspekt von SA-unabhängiger SAR näher zu untersuchen, analysierten wir die transkriptionellen Änderungen innerhalb des distalen Blattes von SA- und Pip-defizienten Mutanten während der SAR. Wir beobachteten eine transkriptionelle Re-Programmierung in distalen Blättern und stellten fest, dass SAR, als Zustand aktivierter Pathogenabwehr, weiterhin mit einer Reduktion der Photosynthese und anabolischen Stoffwechselprozessen assoziiert war. Interessanterweise konnten wir eine SA-unabhängige Gruppe von SAR-Genen identifizieren und beachtenswerterweise feststellen, dass die Pip-defiziente ald1 Mutante kaum transkriptionelle Veränderungen während der SAR aufweist. Diese Ergebnisse bestätigen, dass Pip ein SA-unabhängiger, zentraler Regulator der Genexpression während der SAR ist. Weiterhin wollten wir die Rolle von Pip im SAR-induzierten Priming von Abwehrreaktionen charakterisieren. Wir konnten zeigen, dass Abwehrpriming in SA-abhängiger und -unabhängiger Weise von ALD1 und FMO1 reguliert ist. Kombinierte und Einzelbehandlungen von Pip und SA konnten zusätzlich zeigen, dass unterschiedliche Signalwege genutzt werden und es einen synergistischen Effekt auf PR-1 Expression und Resistenz gibt. Schließlich wollten wir die Rolle des ALD1 Homologs, der L,L-Diaminopimelate Aminotransferase ABERRANT GROWTH AND CELL DEATH 2 (AGD2), charakterisieren. Wir beobachteten die Akkumulation einer bis dato nicht identifizierten Substanz in agd2-1, die helfen könnte den konstitutiven Resistenzphänotyp dieser Mutante zu erklären. Um besseren Einblick in die enzymatischen Prozesse des Pip-Biosyntheseweges zu bekommen, selektierten wir Kandidatengene mit möglicher Funktion stromauf- und stromabwärts der Pip-Biosynthese, begründet auf Genexpressionsdaten und Homologien in anderen Organismen. Trotz veränderter Pip-Gehalte zeigten diese Mutanten keine Verschlechterung in der SAR, was darauf schließen lässt, dass die selektierten Kandidaten funktionell redundant und/oder dass noch andere Enzyme in diese Prozesse involviert sind. Zuletzt untersuchten wir die subzelluläre Lokalisation von ALD1 und FMO1, die jeweils für die Akkumulation von Pip und die Signalweitergabe notwendig sind. Wir konnten zeigen, dass ALD1 im Chloroplasten und FMO1 im Endoplasmatischen Retikulum lokalisiert ist, was darauf schließen lässt, dass die Pip-Biosynthese und Signalweitergabe in unterschiedlichen Organellen stattfindet. Zusammenfassend konnte diese Arbeit zeigen, dass Pip ein zentraler Regulator der lokalen und systemischen Immunität und Priming gegen Bakterien ist und dass die Pip vermittelte Resistenzantwort über SA-abhängige und –unabhängige Signalwege läuft. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 13.04.2015 | |||||||
| Dateien geändert am: | 13.04.2015 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 30.10.2014 | |||||||
| Datum der Promotion: | 23.01.2015 |
