Dokument: The infection biology of the Brassicaceae smut fungus Thecaphora thlaspeos & Mg2+ transport and its role for virulence in the smut fungus Ustilago maydis
| Titel: | The infection biology of the Brassicaceae smut fungus Thecaphora thlaspeos & Mg2+ transport and its role for virulence in the smut fungus Ustilago maydis | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=61998 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20230222-104744-3 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Plücker, Lesley [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Feldbrügge, Michael [Gutachter] Prof. Dr. Rose, Laura [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Detailed understanding of a plant pathogens life cycle and interaction with its host is essential for the establishment of model pathosystems in basic research as well as the development of targeted drugs and treatments in applied research. Smut fungi are a group of plant pathogenic fungi that infect mostly grasses, including essential crop plants like barley, maize, oats, wheat, sugar cane and sorghum. An important representative is Ustilago maydis, a fungus that served the last decades as a scientific model for DNA recombination and repair, signalling pathways, translational and posttranslational regulation, cell cycle regulation as well as mating, morphogenesis and pathogenicity. Thecaphora thlaspeos on the other hand, is a dicot-infecting smut fungus of the Thecaphora-clade, related to the model smut U. maydis. While the grass smut fungi infect crop plants, T. thlaspeos infects Brassicaceae plants, in which it establishes a symptomless, systemic and long-lasting biotrophic interaction, and overwinters with perennial hosts as an endophyte. Under lab conditions this includes colonization of the model plant Arabidopsis thaliana, which allows to utilize its vast genetic resources available for smut fungi research.
In this work I provide a novel insight into the infection biology of T. thlaspeos with a detailed microscopic analysis of the infection structures formed during the early infection phase. This allowed the identification of specific appressoria-like penetration structures on the plant root as well as the leaf surface, which are conserved in the hosts Arabis alpina and Arabis hirsuta but also in A. thaliana. Appressoria-like structures are formed on the root surface, occasionally resulting in rhizodermis cells filled with fungal hyphae, although this colonization does not seem to be essential for successful infection via the roots. On the leaf surface of cotyledons and true leaves, I observed that hyphae of germinated T. thlaspeos teliospores form either appressoria-like structures on epidermal cells, on the guard cells or growth directly through the stoma. In contrast to other plant-pathogenic fungi, the guard cells are subsequently colonized before T. thlaspeos continues to grow further intracellularly towards the vasculature. These colonized guard cells seem to die during the process. These observations set the foundation for the analysis of tissue resolved molecular infection processes in the future. Additionally, a putative virulence factor of T. thlaspeos, the protein THTG_00998, was characterized in U. maydis based on homology to the U. maydis virulence factor Pit1. While Ttpit1 cannot complement the pit1 deletion phenotype in U. maydis, a role for Pit1 in Mg2+ transport was suggested. Subsequent analysis of this hypothesis in U. maydis could not show that Pit1 functions as a Mg2+ transporter, but my experimental data to support the hypothesis of Pit1 functioning as transporter. Together with new structural information on Pit1 supporting a role as receptor, this now provides a new angle to approach the question and sets the foundation for further studies to elucidate its function. Alongside this project a transformation protocol for T. thlaspeos protoplasts was developed and published in Journal of Fungi. In the future this will allow the analysis of interesting genetic targets directly in T. thlaspeos without the need of a surrogate system. Besides the hypothesized connection of Pit1 to Mg2+ transport in this thesis, a previous study already made an interesting observation with regard to Mg2+ homeostasis in U. maydis infected maize tissue: It was shown, that Mg concentration is reduced in U. maydis infected maize tissue although these are sink tissues with increased phloem flow. To gain first insights into Mg2+ homeostasis in U. maydis and its potential contribution to virulence an inventory of Mg2+ transporters in U. maydis was generated. In difference to S. cerevisiae, transporter candidates from several different families could be identified, including the well characterized CorA-type Mg2+ transporter family. Further analysis of two CorA-type Mg2+ transporter candidates identified in U. maydis, Alr1 and Mnr2 revealed that both share features typical for plasma membrane and well as vacuole localized Mg2+ transporters. While Alr1 appeared indispensable for Mg2+ uptake into the cell, both Alr1 and Mnr2 seem equally important to maintain WT-like intracellular Mg2+ levels. Based on my data I propose that Alr1 and Mnr2 operate as heterooligomers, while the composition of the heterooligomer determines localization either to the vacuole or the plasma membrane. Furthermore, deletion of alr1 in U. maydis results in a filamentation defect which blocks infection on the plant surface. In contrast, deletion of mnr2 resulted only in a very slight decrease in virulence, that did not affect the overall Mg reduction in the infected leaf in comparison to the WT. While it is not clear if U. maydis interferes with its host Mg2+ homeostasis, I hypothesize that Mg2+ transporters could contribute to U. maydis virulence by taking up Mg2+ at the points of cell-cell passage to weaken the plant cell wall and at the infection site to redirect sugar partitioning. In the future, a better understanding of the role of Mg2+ for infection might set the basis to develop new approaches in crop protection like broad spectrum fungicides that target common traits of the pathogens Mg2+ homeostasis. Taken together, the results presented in this thesis greatly contribute to our knowledge on the T. thlaspeos infection biology set the foundation to gain further insights on the molecular level of the interaction with the host in the future. The technical advances in the transformation protocol have biggest impact on T. thlaspeos research to establish it as a model system in the field. Additionally, the extensive knowledge about U. maydis is expanded with an initial characterization of Mg2+ homeostasis, a field not yet investigated in this fungus.Genaues Verständnis vom Lebenszyklus von Pflanzenpathogenen and der Interaktion mit ihrer Wirtspflanze ist entscheidend, um Modell-Pathogen-Systeme in der Grundlagenforschung zu etablieren und zielgerichtete Pflanzenschutzmittel und Behandlungen in der angewandten Forschung zu entwickeln. Brandpilze sind eine Gruppe pflanzenpathogner Pilze, die hauptsächlich Gräser infizieren, unter anderem wichtige Nutzpflanzen wie Gerste, Mais, Hafer, Weizen, Zuckerrohr und Hirse. Ein wichtiger Vertreter ist Ustilago maydis, ein Pilz, der in den letzten Dekaden als wissenschaftliches Modell für DNA Rekombination und – Reparatur, Signalwege, translationale und post-translationale Regulation, Zellzyklus Regulation sowie Paarung, Morphogenese und Pathogenität gedient hat. Auf der anderen Seite ist Thecaphora thlaspeos ein Dikotyledone-infizierender Brandpilz der Thecaphora-Klade, der verwandt mit dem Modelbrandpilz U. maydis ist. Während Gräser-infizierende Brandpilze Nutzpflanzen befallen, infiziert T. thlaspeos Brassicaceen, mit denen er eine symptomlose, systemische and langanhaltende biotrophe Interaktion eingeht und als Endophyt mit seinen mehrjährigen Wirtspflanzen überwintert. Unter Laborbedingungen wird ebenfalls die Modellpflanzen Arabidopsis thaliana kolonisiert, wodurch deren enorme genetische Ressourcen für die Brandpilzforschung nutzbar werden. Dieser Arbeit bietet neue Einblicke in die Infektionsbiologie von T. thlaspeos mit detaillierten mikroskopischen Analysen der Infektionsstrukturen, die während der frühen Phase der Infektion gebildet werden. Dies ermöglichte die Identifikation spezifischer Appressorien-ähnlicher Strukturen, die auf der Wurzeloberfläche gebildet werden und gelegentlich zur vollständigen Kolonisierung einzelner Rhizodermiszellen mit Pilzhyphen führen, wobei diese Kolonisierung für die erfolgreiche Infektion über die Wurzeln nicht essentiell scheint. Auf der Blattoberfläche von Kotyledonen and echten Blättern konnte gezeigt werden, dass Hyphen von keimenden T. thlaspeos Teliosporen entweder Appressorien-ähnliche Strukturen auf Epidermiszellen oder Schließzellen bilden oder direkt durch das Stoma wachsen. Im Gegensatz zu anderen pflanzenpathogenen Pilzen werden die Schließzellen anschließend kolonisiert bevor T. thlaspeos intrazellulär weiter in Richtung Vaskulatur wächst. Die Schließzellen scheinen durch den Prozess der Kolonisierung zu sterben. Diese Beobachtungen bilden die Grundlage für die zukünftige gewebebezogene Analyse des Infektionsprozesses auf molekularer Ebene. Zusätzlich wurde ein potentieller Virulenzfaktor von T. thlaspeos, das Protein THTG_00998, basierend auf seiner Homologie zum Virulenzfaktor Pit1 aus U. maydis in U. maydis charakterisiert. Obwohl Ttpit1 den pit1 Deletionsphänotyp nicht komplementieren konnte, wurden Hinweise für eine Rolle von Pit1 im Mg2+ Transport gefunden. Die anschließende Analyse dieser Hypothese in U. maydis konnte zwar nicht zeigen, dass Pit1 als Mg2+ Transporter fungiert, doch die experimentellen Daten unterstützen die Hypothese, dass Pit1 als Transporter fungiert. Zusammen mit neuen Informationen zur Struktur von Pit1, die eine Funktion als Rezeptor suggerieren, stellt dies einen neuen Ansatzpunkt dar, um die Funktion von Pit1 zu untersuchen und bildet die Basis für weitere Studien. Parallel dazu wurde ein Transformationsprotokoll für T. thlaspeos Protoplasten entwickelt und im Journal of Fungi publiziert. In Zukunft wird es dadurch möglich sein, interessante Gene direkt in T. thlaspeos zu untersuchen, ohne dass auf ein Modellsystem zurückgegriffen werden muss. Neben einer hypothetischen Verbindung von Pit1 zum Mg2+ Transport in dieser Arbeit, wurde in einer früheren Studie eine interessante Beobachtung bezüglich der Mg2+ Homöostase in U. maydis infiziertem Maisgewebe gemacht: Es wurde gezeigt, dass die Mg2+ Konzentration in U. maydis infiziertem Gewebe reduziert ist, obwohl diese Sink-Gewebe mit verstärktem Phloem-Import darstellen. Um erste Einblicke in die Mg2+ Homöostase von U. maydis und deren potenziellem Beitrag zur Virulenz zu gewinnen, wurde ein Mg2+ Transporter-Inventar für U. maydis erstellt. Im Gegensatz zu Saccharomyces cerevisiae, konnten Transporter Kandidaten von mehreren Familien, einschließlich der gut charakterisierten CorA Mg2+ Transporter, identifiziert werden. Die weitere Analyse der CorA Mg2+ Transporter Kandidaten aus U. maydis, Alr1 und Mnr2 zeigte, dass beide typische Eigenschaften für Plasmamembran- sowie Vakuolenmembran-lokalisierte Mg2+ Transporter besitzen. Während Alr1 unentbehrlich für die Aufnahme von Mg2+ in die Zelle zu sein scheint, scheinen Alr1 und Mnr2 beide gleich wichtig zu sein, um Wildtyp-typische Mg2+ Level in der Zelle aufrecht zu erhalten. Basierend auf diesen Daten stelle ich die Hypothese auf, dass Alr1 und Mnr2 als Heterooligomere fungieren, während die Zusammensetzung des Heterooligomers die Lokalisation in der Vakoulenmembran oder Plasmamembran bestimmt. Außerdem führt die Deletion von alr1 in U. maydis zu einem Defekt in der Filament-Induktion, der die Infektion der Pflanze bereits auf ihrer Oberfläche stoppt. Im Gegensatz dazu, resultiert die Deletion von mnr2 nur in einer leicht verminderten Virulenz, die insgesamt die Reduktion der Mg Konzentration im infizierten Blatt im Vergleich zum Wildtyp nicht beeinflusst. Ich stelle die Hypothese aus, dass Mg2+ Transporter zur Virulenz von U. maydis beitragen, indem sie Mg2+ an den Punkten, an denen der Pilz von einer Zelle zur nächsten Zelle wächst, aufnehmen, um die pflanzliche Zellwand an dieser Stelle zu schwächen und um den Assimilat-Transport in der Pflanze zur Infektionsstelle umzuleiten. In Zukunft könnte ein besseres Verständnis der Rolle von Mg2+ für die Infektion die Basis bilden, um neue Ansätze zum Pflanzenschutz, wie Breitspektrum Fungizide, die gemeinsame Merkmale der pathogene Mg2+ Homöostase angreifen, zu entwickeln. Zusammenfassend tragen die Ergebnisse aus dieser Arbeit in großem Maße zu unserem Verständnis der T. thlaspeos Infektionsbiologie bei und bilden die Grundlage, zukünftig weitere Einblicke auf molekularem Level in die Interaktion mit der Wirtspflanze zu gewinnen. Der technische Fortschritt mit dem Transformationsprotokoll hat größten Einfluss auf die T. thlaspeos Forschung, um T. thlaspeos als Modelsystem zu etablieren. Zusätzlich, wird das breite Wissen über U. maydis mit der initialen Charakterisierung der Mg2+ Homöostase ergänzt, die in diesem Pilz vorher noch nicht untersucht wurde. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Bezug: | Februar 2018 - September 2022 | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Mikrobiologie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 22.02.2023 | |||||||
| Dateien geändert am: | 22.02.2023 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 06.09.2022 | |||||||
| Datum der Promotion: | 14.11.2022 |
