Dokument: Viroid evolution and viroid-induced pathogenesis networks in host plants

Titel:	Viroid evolution and viroid-induced pathogenesis networks in host plants
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=39154
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20160808-095455-8
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dr. rer. nat. Piernikarczyk, Rajen Julian Joseph [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 7,85 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 05.08.2016 / geändert 05.08.2016
Beitragende:	Prof. Dr. Steger, Gerhard [Gutachter] Prof. Dr. Lercher, Martin [Gutachter]
Stichwörter:	Potato spindle tuber viroid, deep sequencing, degradome sequencing, quasispecies, error rate, error threshold
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Pathogene befallen Wirte, um sich zu replizieren und an dynamische Lebensräume anzupassen und darin zu bestehen. Kleine pathogene Elemente, wie Viren und Transposons, die aus 104–106 Nukleotiden (nt) bestehen, befallen Wirte aus allen Domänen des Lebens und lösen in ihnen sowohl schädliche als auch nützliche Effekte aus. Diese Pathogene kodieren eine große Bandbreite von gegen den Wirt gerichteten Proteinen und RNA-Sekundärstrukturen. Ausserdem diversifizieren sie ihr Genom, um sich den Abwehrmechanismen des Wirts zu entziehen. Die Interaktionen zwischen Pathogen und Wirt beeinflussen die Selektion, die sich auf das Genom beider auswirkt. Pathogene Elemente formen die Evolutionsgeschichte und Anpassung des Wirts unter anderem durch lateralen Gentransfer, Genduplikation, genetische Reorganisation, Neuprogrammierung und Neuverschaltung von Synthesewegen. Die Klasse der subviralen Partikel beinhaltet die kleinsten bekannten Pathogene, wie zum Beispiel Prione und die Satelliten-RNA Hepatitis δ. Ebenfalls zu den subviralen Partikeln zählen die pflanzeninfizierenden Viroide, die ihre gesamte essentielle Information auf ein einzelsträngiges, zirkuläres und nicht-kodierendes RNA-Genom mit einer Länge von 250–400 nt komprimieren. Viroide sind obligate Parasiten der Transkriptionsmaschinerie des Pflanzenwirtes. Bekannte Viroidwirte sind unter anderem Spezies der Solanaceae, wie zum Beispiel Solanum lycopersicum (Tomate) und Solanum tuberosum (Kartoffel), aber auch Prunus persica (Pfirsisch) und Cocos nucifera (Kokosnuss). Die Pathogenese der Viroide hängt vom Genotypen des Pathogens und des Wirts ab. Verschiedene Kulturvarietäten der Wirtspflanzen können (in-)tolerant gegenüber den vom Viroid hervorgerufenen Symptomen sein, wie Zwergwuchs, Epinastie und Nekrosen. Diese Symptome sind weltweit verantwortlich für signifikante Ernteausfälle der betroffenen Nutzpflanzen. Obwohl das Genom des Kartoffel-Spindelknollen-Sucht-Viroids („Potato spindle tuber viroid“; PSTVd), dem namensgebenden Viroid der Familie Pospiviroidae, das zweite sequenzierte Genom überhaupt ist, fehlt es bislang an einem Pathogenitätstheorem, das die vom Viroidgenotypen abhängigen Symptome in der Wirtspflanze erklärt. Mitglieder der Pospiviroidae nutzen die DNA-abhängige RNA Polymerase II (Pol II) für die Replikation in einem asymmetrischen rollenden Ring-ähnlichen Mechanismus. Bei der Replikation dient die Viroid-RNA somit als falsches Substrat, weswegen im Replikationsprozess im Vergleich zur Pol II-Fehlerrate mit DNA Substrat kontinuierlich eine erhöhte Anzahl von Mutationen eingeführt werden. Die erzeugten fehlerhaften Genomkopien, welche von der ursprünglich infizierenden – der Mastersequenz – stammen, formen eine sogenannte Quasispezies. Die thermodynamischen stabilen und metastabilen Sekundärstrukturen und andere Motive rekrutieren Wirtsfaktoren unter anderem für die Replikation und Ausweitung von einer lokalen zu einer systemischen Infektion. Diese erklären jedoch nicht die weitreichende Umprogrammierung des Wirts und das Ausweichen der Abwehrantwort. Viroid-Infektionen induzieren Viroid-spezifische kleine RNAs (vsRNA), die innerhalb eines Pathogenitätstheorems die Fähigkeiten des Wirts zum posttranskriptionelles Gen-Silencing (PTGS) übernehmen und dieses wiederum gegen Wirtstrankripte einsetzen. Diese Viroid-instruierte Wirtsregulation führt zu einer Viroid-bevorzugten Zellumgebung. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Evolution von PSTVd-Genomen in infizierten Tomatenpflanzen untersucht. Basierend auf sequenzierte vsRNAs haben wir eine Methode zur Rekonstruktion von Quasispezies entwickelt und lebensfähige PSTVd-Varianten extrahiert, die von der Mastersequenz evolviert sind. Die durch Mutationen neu enstandenen PSTVd-Varianten konkurrierten mit der ursprünglich infizierenden Mastersequenz und überwuchsen diese in einzelnen Fällen. Wir haben die Replikationseffizienz der Pol II mit dem fehlerhaften PSTVd-RNA-Substrat abgeschätzt und eine Fehlerrate von ∼5×10−3 festgestellt. Wir konnten Zierpflanzen als Viroid-Reservoirs identifizieren. Im zweiten dieser Arbeit werden Viroid-induzierte Pathogenitätsnetzwerke untersucht. Wir haben das s Degradom von PSTVd-infizierten Tomatenpflanzen sequenziert, um Viroid-induzierte differentielle Degradierungsregime der mit milden Symptomen verbundenen QFA-Variante und mit schwersten Symptomen verbundenen AS1-Variante zu beschreiben. Wir konnten computergestützt Viroid-induzierte differentielle Degradierung verschiedener Wirtssynthesewege feststellen. Interessanterweise gehörten die meisten geschnittenen Wirtstranskripte zu den sogenannten pathogenitätsbezogenen Proteinen, was vermutlich dem Unterdrücken von Abwehrwegen des Wirts dient. Wir vermuten, dass infizierte Tomatenpflanzen eine PAMP/pattern-triggered immunity (PTI) Antwort generieren und diese vom Viroid-induzierten Pathogenitätsnetzwerk gekontert wird. Dies wird sichtbar durch Schnitte von pathogenesekritischen Wirtstranskripten. Wir untersuchten die differenzielle Expression und Degradierung von morphogeneseregulierenden Tomaten SANT/HTH Myb Transcripten in gesunden und PSTVd infizierten Pflanzen. Wir haben festgestellt, dass die Expressionsdynamik mit der viroid-induzierten Pathogenese und den PSTVd (in-)toleranten Tomaten Kulturvarietäten korreliert. Pathogens exploit host resources for replication and spread to adapt and survive in dynamic environments. Small pathogenic elements like viruses and transposons composed of 104–106 nucleotides (nt) infect hosts from all domains of life and introduce deleterious as well as beneficial effects. These pathogens employ a broad range of genome-encoded exploits like proteins and RNA secondary structures and diversify their genome to evade host defense systems. Host-pathogen interactions drive selection, which is acting on the host-genotype as well as on the pathogen-genotype. Pathogenic elements shape the evolutionary history and adaptions of the host among others by lateral gene transfer, gene duplication, genomic reorganization, reprogramming and rewiring pathways. The class of subviral particles includes the smallest known pathogens like prions and hepatitis δ, a satellite RNA. The plant-pathogenic viroids are subviral particles that compress all essential information into single-stranded, circular and non-coding RNA genomes of about 250–400 nt length depending on the viroid species. Viroids are obligate parasites of the host’s transcriptional machinery. Hosts of viroids are species from Solanaceae like Solanum lycopersicum (tomato) and Solanum tuberosum (potato), but also Prunus persica (peach), Cocos nucifera (coconut) and others. The pathogenesis of viroids depends on the genotype of the pathogen and its host, different host cultivars might be (in-)tolerant to viroid-induced symptoms like dwarfism, epinasty and necrosis that cause significant yield losses of diverse crops worldwide. Although the genome of the Potato spindle tuber viroid (PSTVd)—the type strain of the Pospiviroidae family—was the second genome to be sequenced, a comprehensive pathogenesis theorem that explains viroid genotype-dependent symptoms of host plants is lacking. Pospiviroidae exploit the DNA-dependent RNA polymerase II (Pol II) for replication in an asymmetric rolling-circle mechanism. Based on the RNA substrate, the replication process constantly introduces an increased number of mutations compared to Pol II-error rates on DNA substrates. This error-prone replication rapidly leads to the accumulation of error copies of the original infecting master copy that gives rise to a so-called “mutant swarm” or quasispecies. The thermodynamically stable as well as metastable RNA secondary structures and structural motifs of PSTVd recruit host factors at least for replication and systemic trafficking, but do not explain the far reaching host reprogramming and evasion of the host defense system. Viroid infections induce viroid-specific small RNAs (vsRNA) that are hypothesized within one pathogenicity theorem to direct the host post-transcriptional gene silencing (PTGS) pathway to host transcripts resulting in a viroid-instructed and favored environment. The first part of this thesis focuses on the evolution of PSTVd during infections of the tomato hosts. Based on deep-sequenced vsRNAs we developed a method to reconstruct quasispecies and extract viable PSTVd variants that evolved from the master copy. These newly emerged variants competed with the original master sequence and in some instances have overgrown them. We estimated the replication efficiency of Pol II with an RNA substrate as a template and determined an error rate of ∼5×10−3 for PSTVd. We identified ornamental plants as viroid reservoirs. The second part of this thesis focuses on viroid-induced pathogenesis networks. We performed degradome sequencing of PSTVd-infected tomato plants to determine degradation regimes of the mild symptoms inducing PSTVd variant QFA and severe symptoms inducing variant AS1. We computationally identified viroid-induced differentially degraded host transcripts that belong to diverse pathways. The most significant differentially cleaved host transcripts were pathogenesis-related transcripts that are assumed to suppress the host defense systems. We assume that tomato plants activate a PAMP/pattern-triggered immunity (PTI) response to viroid infections, which is countered by the viroid-induced pathogenesis networks that lead to the cleavage of transcripts related to pathogenesis-critical host pathways. We investigated the differential expression and degradation of a tomato morphogenesis-regulating SANT/HTH Myb transcript in healthy and PSTVd infected plants. We determined that the expression dynamics correlated to the viroid-induced pathogenesis and to the PSTVd (in-)tolerant tomato cultivar.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Physikalische Biologie
Dokument erstellt am:	08.08.2016
Dateien geändert am:	08.08.2016
Promotionsantrag am:	11.05.2016
Datum der Promotion:	17.06.2016