Dokument: The evolution of effector genes in oomycetes and biological control

Titel:	The evolution of effector genes in oomycetes and biological control
Weiterer Titel:	DIE EVOLUTION VON EFFEKTOR-GENEN BEI OOMYZETEN UND METHODEN FÜR DEN BIOLOGISCHEN PFLANZENSCHUTZ
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=49878
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20200708-102510-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Mr Bahramisharif, Amirhossein [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 5,90 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 12.06.2019 / geändert 12.06.2019
Beitragende:	Prof. Dr. Rose, Laura [Gutachter] Jun.-Prof. Dr. Beller, Mathias [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Phytophthora infestans, der Verursacher der irischen Hungersnot zwischen 1845 und 1849, ist das bedeutendste Pathogen kommerziell wichtiger Arten der Solanaceae und der Erreger der Krautfäule. An der Pathogenese sind mehrere Virulenzfaktoren beteiligt. Einer davon ist die Ausscheidung von Effektorproteinen durch P. infestans. Effektorproteine die über ein RXLR-Motiv verfügen, werden in die Zellen des Wirts verlagert. Effektorproteine regulieren die biochemischen Funktionen des Pathogens und verursachen damit die Infektion. Die Wirtspflanze ist in der Lage einige Effektorproteine über spezifische Resistenzproteine (R-Protein) zu erkennen. Diese Effektoren werden als Avirulenzproteine (AVR-Proteine) bezeichnet. Die Aminosäuresequenzen der RXLR Gene sind sowohl innerartlich als auch zwischen Arten äußerst divers, was durch Genduplikation, Genverlust oder diversifizierende Selektion verursacht worden sein könnte. Die Interaktion zwischen Pflanze und Pathogen ist daher komplex. Tiefergehendes Verständnis dieses Prozesses erfordert somit Wissen über die beteiligten RXLR-Gene sowie deren Evolution. In dieser Arbeit wurde die molekulare Evolution mehrerer Avr-, RXLR- und Core-Effektorene, von denen angenommen wird, dass sie ein Kernlokalisierungssignal (nuclear localization signal, NLS) aufweisen, analysiert. Hierzu wurden Arten der Phytophthora Klade 1C, welche P. infestans, P. ipomoeae und P. mirabilis umfasst, untersucht. Interessanterweise war die Anzahl der RXLR-Gene, die bei P. infestans gefunden wurden, signifikant höher als bei P. ipomoeae und P. mirabilis. Außerdem wurden bei den RXLR-Genen Veränderungen in der Proteinstruktur beobachtet, welche durch einen einzelnen Nukleotid-Polymorphismus verursacht wurden. Dies ist bedeutsam, da Veränderungen in der Proteinstruktur in der Regel Veränderungen in der Funktion nach sich ziehen. Bei der Analyse der Expression von RXLR-Genen während der Infektion von Arten der Gattung Solanum, wurden unterschiedliche Expressionsmuster gefunden. Weiterhin wurden im Rahmen dieser Arbeit 11 RXLR-Gene entdeckt, darunter Avr- und NLS-Gene, welche unter diversifizierender Selektion entstanden sind. Die gesammelten Erkenntnisse können bei der Züchtung gegen Krautfäule resistenter Sorten und bei der langfristigen Bekämpfung von Krautfäule Anwendung finden. Die Bekämpfung von Krautfäule ist sehr herausfordernd. In dieser Arbeit wurde der Einfluss nicht-chemischer Produkte, wie z. B. Kompost und biologischer Wirkstoffe, auf die Resistenz von Tomaten gegen Krautfäule untersucht, da der stetige Einsatz synthetischer Fungizide ein großes Risiko für Menschen und Umwelt darstellen könnte. Bei der Analyse des Wachstums von Tomaten und deren Resistenz gegenüber Krautfäule zeigte sich, dass Pflanzen, die mit Bacillus subtilis subsp. subtilis und Trichoderma harzianum behandelt wurden, signifikant größer wurden und verstärkte Resistenz gegenüber P. infestans aufwiesen. Bei Anwendung von kommerziell erhältlichen Produkten, darunter FZB24 und FZB42, war der positive Effekt auf das Wachstum der Tomaten sowie die Wirksamkeit bei deren Schutz weniger stark ausgeprägt. Untersucht wurde auch die kombinierte Anwendung von Eichenrinden-Kompost und Mikroorganismen für den biologischen Pflanzenschutz. Dabei zeigte sich, dass ausschließlich die kombinierte Anwendung von Eichenrinden-Kompost und B. subtilis subsp. subtilis langfristig und effektiv Krautfäule unterdrückt. Bei Anwendung von Kompost und T. harzianum kam es hingegen zu einer signifikanten Zunahme in der Aufprägung von Krautfäule. Diese Arbeit hat unser Wissen über die Biologie und Evolution von Arten der Gattung Phytophthora verbessert und Strategien zur biologischen Schädlingsbekämpfung, zur Verbesserung der Resistenz von Tomaten sowie zur Unterdrückung von Krautfäule identifiziert. Oomyzeten sind überaus bedeutende Pathogene und können erhebliche Ernteverluste verursachen. Diese Arbeit bietet Einblicke in die evolutionären Mechanismen, über die Phytophthora die Fähigkeit erlangte Tomaten zu infizieren. Schwierigkeiten bei der Schädlingsbekämpfung wurden aufgezeigt, was den Bedarf an ganzheitlichen Bekämpfungsstrategien verdeutlichte. Die Erkenntnisse, die im Rahmen dieser Arbeit erlangt wurden, können dazu angewendet werden, den Nährstoffgehalt von Böden zu verbessern, den Ertrag in der biologischen Landwirtschaft zu steigern und krankheitsresistente Nutzpflanzen zu entwickeln. Phytophthora infestans, the Irish famine pathogen, is the most devastating pathogen of commercially important Solanum species, causing late blight. Several virulence factors are involved in pathogenesis. One of the important factors is the secretion of effector proteins by P. infestans. Some of the effectors contain the RXLR motif and are translocated into the host cell. The effector proteins regulate a pathogen’s biochemical functions and therefore, cause infection. However, the host plant is able to detect pathogen’s effector proteins known as avirulence/Avr by its resistance proteins (R protein). The RXLR genes have highly diverse amino acid sequences within/between species that may have been caused by gene duplication, gene loss or diversifying selection. The interaction between plant and pathogen is, therefore, complex and requires knowledge of the RXLR genes involved and their evolution. This study investigated the molecular evolution of several Avr genes, core effector genes and RXLR genes that are predicted to have a nuclear localization signal (NLS) motif in Phytophthora clade 1C species, including P. infestans, P. ipomoeae and P. mirabilis. Interestingly, the number of RXLR genes detected in P. infestans was significantly larger than in P. ipomoeae and P. mirabilis. Protein structural changes, caused by a single nucleotide polymorphism, were also observed in the RXLR genes. This is important because changes in a protein’s structure will most likely lead to changes in function. Different patterns of expression were found in RXLR genes evaluated during infection of Solanum species. Furthermore, the current study detected 11 RXLR genes, including Avr and NLS genes that evolved under diversifying selection. This approach provides knowledge towards breeding for late blight resistance and long-term management. Late blight management is very challenging. The current study investigated the influence of non-chemical products such as a compost and biological agents on tomato resistance to late blight, because the continuous application of synthetic fungicides may pose a huge risk to human and the environment. Evaluation of tomato growth and resistant to late blight showed that plants treated with Bacillus subtilis subsp. subtilis and Trichoderma harzianum were significantly bigger and more resistant to P. infestans. However, the commercial products including FZB24 and FZB42 were less effective at tomato growth and protection. The combination of oak–bark compost and bio-agents was also investigated and showed that only oak–bark compost combined with B. subtilis subsp. subtilis treatment was consistent and effective in late blight management. In contrast, the combined compost and T. harzianum treatment caused a significant increase in late blight severity. This study has improved our knowledge on the biology and the evolution of Phytophthora species, and has identified biological control strategies for use to enhance tomato resistance and suppress late blight. Oomycetes are immensely important pathogens and can cause significant crop losses. This study provided insights into the evolutionary mechanisms by which Phytophthora gained the ability to infect tomato. Furthermore, difficulties in disease management were investigated and showed the need for integrated management strategies. The knowledge gained in this study can be used to enhance soil nutrient status, increase yield in organic agriculture and develop disease-resistant crops.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	08.07.2020
Dateien geändert am:	08.07.2020
Promotionsantrag am:	15.04.2019
Datum der Promotion:	04.06.2019