Dokument: Biological and chemical induction of systemic resistance in the barley powdery mildew pathosystem

Titel:	Biological and chemical induction of systemic resistance in the barley powdery mildew pathosystem
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=3762
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20070530-072958-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dipl Biol Morrissey, Kate L. [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,28 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 16.04.2007 / geändert 16.04.2007
Beitragende:	Prof. Dr. Janzik, Ingar [Gutachter] Prof. Dr. Schurr, Ulrich [Gutachter]
Stichwörter:	Barley, Bion®, induced resistance, local pre-treatment, Paraquat, powdery mildew Pseudomonas syringae, systemic responses, Xanthomonas translucens
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Systemic acquired resistance (SAR) provides plants with a broad spectrum resistance to a variety of phytopathogens (fungi, bacteria and viruses). In dicotyledons the systemic resistance can be induced by both biological and chemical activators. At present it is unclear whether SAR exists in monocotyledons, however, induced resistance has been well reported. The barley-powdery mildew interaction (Blumeria graminis f.sp. hordei, Bgh) was used as a test system. The effects of various biological (Pseudomonas syringae subspecies and Xanthomonas translucens subspecies) and chemical (Bion®, INA, SA and Paraquat) inducers have been analysed. Local pre-infiltration with some but not all of the bacterial strains tested led to lower systemic powdery mildew growth. The bacteria which were able to multiply quickly within barley were also able to provide protection against fungal infection. The degree of chemical resistance induced varied depending on the chemical inducer used, Bion® was the most effective of those tested. By using a combination of metabolite and expression analyses a hypothesis was developed concerning the mechanisms and signalling cascades involved in the development of the systemic resistance. Phenylpropanoid biosynthesis does not appear to be involved in the induced resistance observed in the course of this study. Little influence was found on the accumulation of soluble phenolic compounds following the individual local pre-treatments, whilst alterations were observed after Bgh infection. This was in agreement with the obtained expression data for PAL and CHS. In contrast three different pathogenesis-related (PR) proteins displayed differential regulation. PR-1, PR-2 and PR-3 are commonly used as markers for SAR in dicotyledons, it was shown here that Bion® and a Pseudomonas syringae subspecies resulted in induced PR-gene expression in barley. Paraquat led to primed expression, whilst the remaining bacteria induced local PR transcript accumulation and primed systemic expression. In some but not all systemic leaves lipoxygenase, as a marker for JA biosynthesis, was primed or induced as well as some JA dependent genes. It was hypothesised that Bion® mediates its systemic effects through JA signalling, whilst another signal is required for local responses possibly SA. The bacterial strains tested appear to involve a variety of signalling mechanisms which respond with differing speed and intensity. Local triggering includes reactive oxygen species (ROS) accumulation, at later time points JA and other signalling molecules induce defence responses. Paraquat pre-treatment sensitised the barley plants to respond quicker and stronger to subsequent pathogen attack without having the cost of pre-emptively producing defence proteins. JA signalling is suggested to be responsible for local events whilst another signalling molecule must contribute to the systemic responses, possibly ROS. Local Paraquat pre-treatment of barley plants had a massive effect by reducing redox genes in systemic leaves as shown by differential gene expression. The results pointed out, that the systemic induced resistance in monocotyledons involves several different signalling cascades and induces various defence mechanisms. In some parameters it resembles SAR of dicotyledons but not in others. Thus the systemic induced resistance seems to be of higher complexity in monocotyledons than in dicotyledons and requires further investigation. Systemische erworbene Resistenz (SAR) bietet einen Schutz gegen ein breites Spektrum von Phytopathogenen (Pilze, Bakterien und Viren). In Dikotyledonen wird SAR durch sowohl biologische als auch chemische Aktivatoren induziert. Zurzeit ist es noch unklar, ob SAR auch in Monokotyledonen existiert, allerdings konnte bereits häufig induzierte Resistenz beobachtet werden. Zur Untersuchung der systemischen Resistenz in Monokotyledonen diente in dieser Arbeit Gerste und Echter Mehltau (Blumeria graminis f.sp. hordei, Bgh). Die Wirkung von verschiedenen biologischen (Pseudomonas syringae-Unterarten und Xanthomonas translucens-Unterarten) und chemischen (Bion®, INA, SA und Paraquat) Induktoren wurden analysiert. Lokale Präinfiltration mit einigen, jedoch nicht allen der getesteten Bakterienstämmen führte zu reduziertem systemischen Befall mit Echtem Mehltau. Die Bakterienstämme, die sich in Gerste schnell multiplizieren konnten, führten zu einer verbesserten Resistenz gegenüber einem sekundären Pilzbefall. Der Grad der induzierten Resistenz nach Applikation eines chemischen Aktivators hing stark vom chemischen Aktivator ab. Bion® erwies sich als der effektivste getestete Aktivator. Mit Hilfe eine Kombination von Metaboliten- und Expressionsanalysen wurde versucht eine Hypothese abzuleiten, welche Mechanismen und Signalkaskaden an der Entwicklung der systemischen Resistenz beteiligt sind. So konnte gezeigt werden, dass die Phenylpropanoidbiosynthese nicht an der induzierten Resistenz beteiligt zu sein scheint. Zwar wurde eine Akkumulation phenolischer Inhaltsstoffe nach Bgh Befall beobachtet, diese war aber kaum von den einzelnen lokalen Vorbehandlungen beeinflusst. Auch in den Expressionsdaten für PAL und CHS spiegelte sich dieses wieder. Dagegen wiesen drei unterschiedliche „pathogenesis-related“ (PR) Proteine differentielle Regulation auf. PR-1, PR-2 und PR-3 sind bekannte molekulare Marker für SAR in Dikotyledonen, zeigten aber auch in der hier untersuchten Gerste klare systemische Induktion durch Bion® und eine Pseudomonas syringae-Unterart. Die anderen Bakterienarten führten dagegen nur lokal zu einer direkten Induktion, in systemischen Blättern aber zu einer verstärkten Expression nach Sekundärbefall. Vorbehandlung mit Paraquat dagegen führte sowohl lokal als auch systemisch nur nach Sekundärbefall zu einer verstärkten Expression der PR-Proteine und hatte keinen direkten Effekt. Für die Induktion von Lipoxygenase, als Marker für JA-Biosynthese, sowie für einige JA-abhängige Gene konnte gezeigt werden, dass diese nach Vorbehandlung in systemischen Blättern direkt induziert, oder nach einem sekundären Befall mit Bgh schneller induziert wurden. Insbesondere für Bion® ist daher eine Vermittlung der systemischen Wirkung durch JA Signalkaskaden sehr wahrscheinlich. Dagegen ist für die lokalen Reaktionen eher die Beteiligung eines anderen Signalmoleküls, wie etwa SA, anzunehmen. Insgesamt scheinen die untersuchten Bakterienstämme eine Vielzahl von Signalwegen für die Ausbildung der systemischen Resistenz zu nutzen, welche mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und Intensität ablaufen. An den lokalen Mechanismen sind etwa die Akkumulation reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), sowie JA und andere noch nicht geklärte Signalmoleküle beteiligt. Die bakteriell vermittelte systemische Resistenz scheint, im Gegensatz zur Bion® vermittelten, nicht allein von JA abhängig zu sein. Allerdings spielt wahrscheinlich auch hier die Akkumulation von ROS eine zentrale Rolle. Die Wirkung von Paraquat ist eher über Redox-Prozesse vermittelt, da insbesondere Gene der Redoxregulation stark reguliert wurden. Die Ergebnisse deuten drauf hin, dass die systemische induzierte Resistenz in Monokotyledonen mehrere unterschiedliche Signalkaskaden umfasst und verschiedene Abwehrmechanismen induziert. In einigen Aspekten ähnelt sie SAR in Dikotyledonen aber nicht in allen. Die systemisch induzierte Resistenz scheint daher in Monokotyledonen eine höhere Komplexität aufzuweisen als in Dikotyledonen, die in weiterführenden Untersuchungen näher analysiert werden muss.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie
Dokument erstellt am:	16.04.2007
Dateien geändert am:	16.04.2007
Promotionsantrag am:	23.11.2006
Datum der Promotion:	25.01.2007