Dokument: The role of the RNA silencing network on the co-evolution of Phytophthora infestans and Solanum spp.

Titel:	The role of the RNA silencing network on the co-evolution of Phytophthora infestans and Solanum spp.
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=39449
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20160914-094018-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	de Vries, Sophie [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 8,11 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 05.09.2016 / geändert 05.09.2016
Beitragende:	Prof. Dr. Rose, Laura [Gutachter] Prof. Dr. Zeier, Jürgen [Gutachter]
Stichwörter:	Plant-Microbe Interaction, Phytophthora, Solanum, miRNA, small RNA, effector
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	RNA silencing is an important regulatory system in plants, controlling everything from development to abiotic and biotic stress responses. Negative post-transcriptional regulation of gene expression through small RNAs (sRNA) enables the plant to rapidly respond to pathogens and fine-tune these responses. Recent evidence indicates that several classes of pathogens trigger shifts in host sRNA production and produce RNA silencing suppressors to target the host’s silencing machinery. What is more, the plants’ own microRNAs (miRNAs) were shown to regulate plant resistance (R) genes. The work presented here concentrates on how the RNA silencing network in tomatoes (Solanum spp.) is shaped by and also contributes to the co-evolution of the pathogen Phytophthora infestans with its hosts. In the Solanaceae, the miRNA family miR482/2118 regulates R gene expression. We identified eight different family members of miR482/2118 in the genomes of 14 species of Solanaceae. Of these eight, seven are conserved in the wild tomatoes. Analyses of the evolutionary rates of the precursors of these eight types showed that each family member evolves under a different evolutionary constraint. In particular, the evolutionary rate of the mature miRNA region was elevated in four of the eight miR482/2118 family members. This points to lineage-specific evolution of the miR482/2118 family, potentially related to the R gene repertoire of the Solanaceae species. The investigation of the evolution of the miR482/2118 – R gene targeting network showed that a comparable percentage of R genes is targeted in tomato and potato. This indicates that the miRNA – R gene targeting network is robust. Additionally, R gene duplication is likely supported by miRNA targeting. This robust network is, nevertheless, evolutionary dynamic: orthologous and paralogous R genes are often targeted by a different miR482/2118 member rather than the same. Together this suggests that the adaptability of this network might not only allow for but could even promote R gene evolution. miRNA regulation of R genes may therefore facilitate rapid adaptation of a plant host to a pathogen and may therefore be advantageous for the hosts. Plants infected by pathogens that produce RNA silencing suppressors reveal a down-regulation of miR482/2118 members. miR428/2118 down-regulation results in elevated R gene expression, suggesting an additional role of miR482/2118 as a counter-counter defense of plants against pathogen RNA silencing suppressors: suppression of RNA silencing includes the reduction of miR482/2118 levels and consequently leads to an up-regulation of R genes and therefore enhances immunity. Yet, RNA silencing suppressors enhance virulence of pathogens. This seems contradictory. Therefore, to better understand the role of RNA silencing suppressors in the RNA silencing network, we analyzed the one known RNA silencing suppressor in P. infestans, Phytophthora Suppressor of RNA silencing 2 (PiPSR2). Homologs of PiPSR2 are present in many Phytophthora species, underpinning the importance of PSR2 for the virulence of many economically important Phytophthora species. We show that PiPSR2 evolves under purifying selection and that higher evolutionary rates of PSR2 proteins were associated with the host range of different Phytophthora pathogens, suggesting that host range is an important factor in the evolution of PSR2. PSR2 inhibits the production of a certain type of phased secondary small interfering RNA (phasiRNA), including those phasiRNAs that are triggered through the action of miR482/2118. Therefore, PSR2 is a key link to understanding the evolution of counter-counter defense. We discovered that PiPSR2 is either up-regulated during the biotrophic phase or constantly expressed throughout infections in wild and cultivated tomatoes, depending on the P. infestans isolate and the tomato host. A high expression was associated with lower virulence, suggesting the necessity of a tight PiPSR2 expressional regulation. Based on these results, I concluded that PSR2 may globally shift phasiRNA production in Phytophthora hosts and that the negative effects from a de-repression of R genes by phasiRNAs are counterbalanced by local shifts in phasiRNA regulation of development and nutrient signaling. RNA-Silencing ist ein wichtiger Mechanismus, um die Entwicklung von Pflanzen und ihre Reaktionen auf äußere Stimuli, wie beispielsweise Pathogene, zu regulieren. Es ist daher nicht verwunderlich, dass die Produktion von pflanzlichen kleinen RNAs global durch eine Infektion verändert wird und dass Pflanzenpathogene Suppressoren für den pflanzlichen RNA-Silencing-Apparat besitzen. Zusätzlich besitzen Pflanzen microRNAs (miRNAs), welche die Transkriptmenge von Resistenzgenen (R-Gene) reduzieren. All dies deutet darauf hin, dass das RNA-Silencing-Netzwerk eine entscheidende Rolle in der Interkation von Pflanzen und Pathogenen spielt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Rolle des RNA-Silencing-Netzwerks in der Koevolution von Tomaten (Solanum spp.) und Phytophthora infestans. In den Solanaceae wird die Expression von R-Genen durch die miRNA-Familie miR482/2118 reguliert. In dieser Arbeit wurden insgesamt acht verschiedene Mitglieder der miR482/2118-Genfamilie in 14 analysierten Solanaceae-Genomen identifiziert. Von diesen acht verschiedenen miR482/2118-Genen sind sieben in den Wildtomaten konserviert. Die Evolutionsraten der acht miR482/2118-Precursorsequenzen sind unterschiedlich, was zeigt dass diese acht Gene unterschiedlich schnell evolvieren. Die Region in den Precursorsequenzen, welche die aktive miRNA kodiert, wies in vier von insgesamt acht miR482/2118-Precursorsequenzen eine erhöhte Evolutionsrate auf. Dies deutet auf eine artspezifische Evolution der miR482/2118-Gene hin, welche vermutlich von der R-Genkomposition der jeweiligen Art abhängig ist. Im Einklang mit diesem Ergebnis zeigte die Analyse des miRNA regulatorischen Netzwerks der R-Gene, dass immer ein vergleichbarer Prozentsatz an R-Genen durch die miR482/2118-Genfamilie reguliert wird. Dies deutet auf eine gewisse Robustheit des miR482/2118-R-Gen-Netzwerks hin. Des Weiteren lassen unsere Ergebnisse vermuten, dass die miRNA-Regulation der R-Gene deren Genduplikationen begünstigt. Dieses robuste Netzwerk weist zusätzlich eine dynamische Komponente auf: orthologe und paraloge R-Gene werden häufig von unterschiedlichen miRNAs reguliert. Es ist daher möglich, dass R-Gen-regulierende miRNAs eine schnelle Adaption der Pflanzen an ihre Pathogene ermöglichen. Pflanzen, die mit Pathogenen infiziert wurden, welche RNA-Silencing-Suppressoren produzieren, zeigen reduzierte miR482/2118-Mengen. Diese Reduktion der miR482/2118-Menge führt zu erhöhten R-Gentranskriptmengen, was eine erhöhte Resistenz gegen Pathogene zur Folge hat. Daher wird vermutet, dass die miR482/2118-Genfamilie, zusätzlich zu ihrem Einfluss auf die R-Gen-Evolution, auch eine Gegenantwort der Pflanze auf die RNA-Silencing-Suppressoren ist. Dieses Konzept beinhaltet, dass eine befallene Pflanze deren RNA-Silencing-Apparat von RNA-Silencing-Suppressoren eines Pathogens attackiert wird, eine automatische Hochregulation der R-Gene erfährt, da die Produktion der R-Gen-regulierenden miRNAs inihibiert wurde. Nichtsdestotrotz erhöhen RNA-Silencing-Suppressoren die Virulenz von Pathogenen. Dies scheint widersprüchlich. Um die Rolle von RNA-Silencing-Suppressoren in diesem Netzwerk besser zu verstehen, analysierten wir den derzeit einzigen aus P. infestans bekannten RNA-Silencing-Suppressor: Phytophthora Suppressor of RNA Silencing 2 (PSR2). PSR2 wurde in mehreren Phytophthora-Spezies gefunden, wodurch die Relevanz dieses Gens für die Virulenz von Phytophthora spp. hervorgehoben wird. PiPSR2 weist Anzeichen von purifying selection auf und eine erhöhte Evolutionsrate des PSR2-Proteins korrelierte mit der Anzahl an Wirten, die von der jeweiligen Phytophthora-Spezies befallen werden können. Dies lässt vermuten, dass die Fähigkeit mehrere Wirte zu infizieren, die Evolution von PSR2 stark beeinflusst. PSR2 inhibiert die Produktion sogenannter phased secondary small interfering RNAs (phasiRNAs). miR482/2118 ist in der Lage die Produktion solcher phasiRNAs zu initiieren. PSR2 ist daher eine wichtige Schnittstelle um die Rolle von R-Gen-regulierenden miRNAs und phasiRNAs besser zu verstehen. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass PiPSR2 entweder in der biotrophen Phase der Infektion hochreguliert oder konstant während der gesamten Infektion exprimiert wid. Eine höhere PiPSR2 Expression ist dabei mit einer geringen Virulenz von P. infestans assoziiert. Dies deutet auf die Notwendigkeit einer exakten Regulation der PiPSR2-Menge während einer Infektion hin. Es ist daher plausibel, dass PSR2 ein globaler Regulator von phasiRNAs in den verschiedenen Phytophthora Wirten ist. Der Einfluss von PSR2 auf die R-Gentranskriptmenge, welche durch die Suppression des RNA-Silencings erhöht ist, wird dadurch ausgeglichen, dass die Mengen von entwicklungs- und nährstoffaufnahmeregulierenden phasiRNAs zur gleichen Zeit reduziert werden.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	14.09.2016
Dateien geändert am:	14.09.2016
Promotionsantrag am:	31.05.2016
Datum der Promotion:	02.09.2016