Dokument: Rolle von lokalisierten Kerneffektoren von Thecaphora thlaspeos bei der Modulation der Abwehrreaktionen des Wirts während einer Infektion

Titel:	Rolle von lokalisierten Kerneffektoren von Thecaphora thlaspeos bei der Modulation der Abwehrreaktionen des Wirts während einer Infektion
Weiterer Titel:	Role of nuclear localized effectors of Thecaphora thlaspeos in modulation of host defense responses during infection
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=62872
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20230615-113356-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Gul, Summia [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 39,13 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 12.06.2023 / geändert 12.06.2023
Beitragende:	Prof. Dr. Feldbrügge, Michael [Gutachter] Prof. Dr. Rose, Laura [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Brandpilze sind eine weit verbreitete Gruppe pflanzenpathogener Pilze, die Kulturpflanzen befallen. Trotz der umfangreichen Informationen und Hilfsmittel, die für den Modell- Brandpilz Ustilago maydis zur Verfügung stehen, ist die Reaktion der Wirtspflanze auf eine solche Pilzinfektion aufgrund der Komplexität des Wirtgenoms schwer zu untersuchen. Thecaphora thlaspeos ist der einzige Brandpilze, der Brassicaceae infiziert und die Modellpflanze Arabidopsis thaliana unter Laborbedingungen kolonisieren kann. Um eine stabile Interaktion mit der Pflanze einzugehen, werden vom Pilzpathogen sogenannte Effektoren eingesetzt. Diese kleinen Moleküle fördern entweder die Virulenz von Pilzpathogenen, indem sie pflanzliche Imunreaktionen unterdrücken, oder sie verändern die Pflanzenphysiologie zu Gunsten des Pilzes. Sie beeinflussen eine Vielzahl zellulärer Funktionen des Wirts und wirken dementsprechend in verschiedenen zellulären Kompartimenten. Im Zellkern lokalisierte Effektoren beeinflussen häufig pflanzliche Proteine, die an der Transkriptionsregulation, der Phytohormonsignalisierung und dem programmierten Zelltod beteiligt sind. Jedoch ist über die molekularen Mechanismen der nukleären Effektoren nur wenig genaueres bekannt. In dieser Arbeit wird der im Zellkern der Wirtpflanze lokalisierende Effektor von T. thlaspeos TtTue1 genauer untersucht. Er gehört zu einer nicht konservierten, für T. thlaspeos einzigartigen Gruppe von Effektoren an. Als Grundidee wird davon ausgegangen, dass die Effektoren von T. thlaspeos ihre Funktion entsprechend ihrer räumlichen Verteilung in der Wirtszelle ausüben, wobei der Zellkern das zentrale Element für die Regulierung grundlegender zellulärer Prozesse ist. Wie die Übertragung von Effektoren von Pilzen in die Wirtszelle funktioniert ist immer noch ungeklärt, der Stp-Komplex ist der einzige Anhaltspunkt für solch eine Übertragung. Daher wurde zunächst untersucht, ob der Stp-Komplex in T. thlaspeos konserviert ist. Allerdings konnte TtStp1 die Funktion von UmStp1 in Komplementationsversuchen nicht wiederherstellen. Als Nächstes wurden im Kern lokalisierte Effektoren, die in die Regulierung der Immunantwort des Wirts eingreifen könnten, genauer untersucht. Eine erste Transkriptomanalyse von infiziertem Arabis hirsuta Gewebe ergab 40 Effektor-Kandidaten. Die Vorhersage von sieben kernständigen Effektoren bildete die Grundlage für folgende Experimente. Mit Hilfe heterologer Expressionsansätze konnte die Akkumulation von NLS-Effektoren im Pflanzenkern mit exklusiven und dualen Lokalisierungsmustern nachgewiesen werdennachweisen. Darüber hinaus führte die Deletion der vorhergesagten NLS zu einem Ausschluss von TtTue1 aus dem Zellkern, was auf einen NLS-vermittelten Transport in den Zellkern hinweist. Parallel dazu wurden die Effektor-Kandidaten in einem bakteriellen heterologen System getestet, um einen ersten Einblick in ihre Virulenzaktivität zu gewinnen. Dabei zeigte sich, dass vier Kandidaten eine signifikante Wirkung auf die bakterielle Vermehrung haben und somit eine Virulenzaktivität besitzen. Darüber hinaus führt die Expression von TtTue1 in A. thaliana zu morphologischen Phänotypen wie Zwergrosetten und der Induktion einer späten Blüte. Diese Entwicklungsphänotypen deuten darauf hin, dass TtTue1 in grundlegende pflanzliche Regulationsmechanismen eingreifen könnte, Ähnlichkeit mit Autoimmunmutanten deutet auf eine Aktivierung der pflanzlichen Immunantwort hin. Aufgrund dieser Beobachtungen wurde TtTue1 als wichtigster NLS-Effektor-Kandidat eingestuft. Die Untersuchung der Funktion von TtTue1 erfolgte durch Hefe-Zwei-Hybrid-Screens, die mehrere pflanzliche Protein Interaktionspartner von TtTue1 aufzeigten, was darauf hindeutet, dass TtTue1 mehrere Ziele haben könnte. AtJAS1 und AtCPK28 wurden als wichtigste pflanzliche Ziele identifiziert und sowohl in vivo als auch in vitro wurde die Interaktion mit den Volllängenhomologe von JAS1 und CPK28 von Ar. hirsuta bestätigt. Die bekannte Rolle von JAS1 deutet stark darauf hin, dass TtTue1 die Wirtshormonsignalisierung verändert. Darüber hinaus deuten die Induktion von Genen, die mit der Salicylsäure-Signalisierung assoziiert sind, die nicht-induzierten Jasmonsäure-reaktiven Gene und die Akkumulation von stressbezogenen Hormonen, die eine Hochregulierung von Salicylsäure in der TtTue1-Überexpressionslinie einschließen, auf eine Störung des Hormon-Cross-Talks hin. Auf der Grundlage der in dieser Arbeit erzielten Daten habe ich vorgeschlagen, dass TtTue1 mit JAS1 interagiert, um es zu stabilisieren und die Aktivität des nachgeschalteten Transkriptionsfaktors MYC zu unterdrücken. Der zweite Interaktionspartner, CPK28, ist ein negativer Regulator des BIK1-vermittelten PAMP-induzierten Kalzium-Ausbruch. Er könnte durch die Interaktion mit TtTue1 abgebaut werden, was jedoch noch weitergehend charakterisiert werden muss. Zusammenfassend tragen die Ergebnisse dieser Arbeit zu unserem Wissen über die Effektorbiologie von T. thlaspeos bei. Die Verifizierung der pflanzlichen Zielproteine liefert ein Arbeitsmodell für die molekulare Analyse von TtTue1. Die Identifizierung von JAS1 und die Hinweise auf seine Stabilisierung durch TtTue1 liefern neue Erkenntnisse über den Jasmonsäure-Signalweg. Am wichtigsten ist jedoch, dass TtTue1 der erste neuartige Brandpilz-Effektor ist, der mit CPK28 interagiert. Die Wechselwirkungen mit JAS1 und CPK28 können genutzt werden, um den Beitrag von TtTue1 zur Infektion von T. thlaspeos zu untersuchen. Smut fungi present a prevalent group of plant pathogenic fungi that infect crop plants. Despite the vast information and tools that exist in the model smut fungus Ustilago maydis the host plant responses to such fungal infection is difficult to study due to complexity of the genome. Thecaphora thlaspeos is the only smut fungus that infects Brassicaceae and colonizes the model plant Arabidopsis thaliana under the lab condition. Fungi establish their interaction with the host plant by deploying secreted molecules referred to as effectors. Effectors either promote virulence of fungal pathogens by suppressing plant defense responses or alter plant physiology for the fungal benefit. They manipulate a variety of host cellular functions and accordingly act in different cellular compartments. Nuclear localized effectors often target proteins involved in transcriptional regulation, phytohormone signaling and programmed cell death. However, we have limited knowledge on the molecular mechanism of nuclear effectors. Presented in this thesis, the characterization of nuclear localized effectors of T. thlaspeos with a focus on the non conserved and novel effector Tt Tue1. This project was driven by the hypothesis that effectors of T. thlaspeos perform their function according to spatial distribution upon delivery into the host cell, where the nucleus is considered a hub for regulation of basic cellular processes. Effector delivery is still enigmatic for fungi, and the Stp complex is the only evidence. Therefore, I investigated whether T. thlaspeos has a conserved system. However, TtStp1 could not restore the function of UmStp1 in complementation assays. Next, the characterization of nuclear localized effectors that might interfere with regulation of the host immune responses was the main focus of this study. A first transcriptome analysis of infected Arabis hirsuta revealed 40 effector candidates. Among these, prediction of seven nuclear localized effectors has set the foundation of this investigation. Using heterologous approaches, an accumulation of NLS effectors in the plant nucleus with exclusive and dual localization patterns was shown. Furthermore, deletion of the predicted NLS results in exclusion from the nucleus for TtTue1 indicative of its NLS media ted nuclear transport. In parallel, the candidates were tested in a bacterial heterologous delivery system to gain first insight into their virulence activity. This revealed that four candidates have significant effect on bacterial proliferation and thus seem to have virulence activity. Additionally, expression of TtTue1 in A. thaliana leads to morphological phenotypes such as dwarf rosettes and induction of late flowering. These developmental phenotypes suggest that TtTue1 might interfere with fundamental plant regulatory mechanisms and its similarity to auto immune mutants point towards activation of plant immune responses. TtTue1 was prioritize as top NLS effector candidate on basis of these observations. The investigation on Tt Tue1 function was started by yeast two hybrid screens that revealed several potential plant targets of TtTue1, indicated its multi targeting function. At JAS1 and At CPK28 were identified as top plant targets of Tt Tue1 and verified for full length homologs of JAS1 and CPK28 of Ar. hirsuta both in vivo and in vitro The well known role of JAS1 strongly suggest that TtTue1 alters the host hormone signaling. Furthermore, induction of genes associated with salicylic acid signaling, non induced Jasmonic acid responsive genes and accumulation of stress related hormones that include high level of salicylic acid in TtTue1 overexpression line pointed toward interference with hormone cross talk. Based on this study, I proposed that TtTue1 interact with JAS1 in order to stabilize it and repress the activity of downstream MYC transcription factor. The second interaction partner, CPK28, is a negative regulator of BIK1-mediated PAMP induced calcium burst. It might undergo degradation upon TtTue1 interaction, but further characterization is required. Taken together, the findings of this thesis contribute to our knowledge on the effector biology of T. thlaspeos. Verification of plant targets provides a working model for the molecular analysis of TtTue1. Identification of JAS1 and evidence towards its stabilization by TtTue1 provide novel insight in to Jasmonic acid-mediated signaling pathway. Most importantly, TtTue1 is found to be a first novel smut fungal effector that interacts with CPK28 to date. Interactions with JAS1 and CPK28 can be used to investigate the contribution of TtTue1 to infection of T. thlaspeos.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie
Dokument erstellt am:	15.06.2023
Dateien geändert am:	15.06.2023
Promotionsantrag am:	24.01.2023
Datum der Promotion:	12.05.2023