Dokument: Expression, Regulation & Evolution of the Plant Immune System
| Titel: | Expression, Regulation & Evolution of the Plant Immune System | |||||||
| Weiterer Titel: | Expression, Regulation & Evolution des pflanzlichen Immunsystem | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=66277 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20240816-094112-7 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Dahlen, Janina Katharina von [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Rose, Laura E. [Gutachter] Prof. Dr. Linka, Nicole [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 580 Pflanzen (Botanik) | |||||||
| Beschreibungen: | Plants live in a highly interactive and competitive world with millions of other organisms, some of which can be harmful to them. Disease is the exception however, while resistance to pathogens is most common. Plants owe their resistance to a finely tuned and highly effective immune system. It detects detrimental organisms by recognizing molecules shared by pathogens, such as chitin or flagellin, as well as lineage-specific effectors, proteins or peptides which are secreted by the pathogen to facilitate infection. Pathogens try to avoid triggering the plant’s immune reaction by perpetually evolving new infection compounds and mechanisms. To keep up with the adaptive potential of pathogens, the immune system of plants is under strong selection pressure. The plant immune system is a highly dynamic, fine-tuned system. To achieve this fine-tuned dynamic, the plant immune system relies on a tight regulatory system. MicroRNAs (miRs) are one component of resistance gene (R-gene) regulation. miRs are small non-coding RNAs that regulate gene expression by triggering mRNA degradation or translational inhibition of gene transcripts – a process also known as RNA silencing. One of these plant immunity-regulating miR-families is the miR482-superfamily which contributes to pathogen resistance by regulating a large family of plant R-genes. R-genes are responsible for triggering the plant immune system by recognition of pathogenic effectors. Other essential players of the plant immune system are phytohormones, chemical signals which integrate many aspects of plant life such as growth and development, as well as, abiotic stress responses and defense. Key regulatory phytohormones of immunity in angiosperms are jasmonic acid and salicylic acid. These chemical compounds appear to interact with each other in an antagonistic way: Salicylic acid activates programmed cell death, an immune reaction that is conducive to necrotrophs, organisms that feed on dead tissue. However, host cell death is detrimental to biotrophs, which rely on living host tissues. Therefore instead of salicylic acid, jasmonic acid is induced following infection by necrotrophs.
In my Ph.D. thesis, I analyzed the evolution, expression and regulation of different layers of the plant immune system. In the first publication, my co-authors and I verified the regulation of several R-genes by the miR482-superfamily and characterized patterns co-regulation of R-genes and miR482- superfamily members. Furthermore, we were able to show that the expression levels of both R-genes and the miR482-superfamily are shaped by the co-evolution of pathogens with their hosts. In addition to the miR482-superfamily, several other miRs are also down-regulated during pathogen attacks. We therefore conclude that the miR482 family might contribute to higher susceptibility to Phytophthora infestans overall. The “miR482 paradox” is based on the observation that some pathogens secrete specific effectors to suppress the RNA silencing machinery of the plant. This releases the suppression of R-genes – but also and other genes – by miRs. The suppression of the RNA silencing machinery by the pathogen (and therefore up-regulation of R-genes) appears at first glance to be counterproductive for the pathogen, however the benefit of releasing many other genes from negative regulation may outweigh the negative consequences of activating a subset of R-genes. The second publication is based on a large-scale meta-analysis of several hundred R-genes of tomatoes and potatoes in the presence, as well as in the absence of infection. Most importantly, we detected a core set of R-genes which are expressed at moderate to high levels independent of the infection status of the plant. We conclude that not all R-genes show a high cost of expression as assumed previously. A major factor associated with difference in R-gene expression was the tissue-type. Furthermore, although we do not detect strong pathogen induced activation of R-gene, it is still possible that the encoded protein show pathogen-specific activation. However, the mechanisms by which activated R-genes trigger a pathogen-specific immune reaction is still underexplored. To reconstruct the network of miR-regulation – and specifically the miR482-family/R-gene network – we analyzed 28 publicly available degradomes of tomato. Degradomes (also known as PARE-libraries) can verify miR/mRNA interactions by identifying whether miR cleavage sites show an overaccumulation of degraded products. Overall, we identified 996 high-confidence mRNA- interactions for a total 137 miRs, 316 isomeric length variants of these miRs (isomiRs) and 1615 putative phasiRNAs, a special class of secondary miRs produced by cleavage events of miRs. We were able to show that miRs not only produce gene-silencing active isomiRs and phasiRNAs, but they also target the same genes multiple times or target genes which themselves contribute to the regulation of diverse processes such as R-genes or transcription factors. Our findings support the “few target” hypothesis of miR interactions, a hypothesis stating that miRs achieve their regulatory power by strongly repressing a small set of genes. However, the alternative “many but weak” hypothesis could not be completely excluded since degradomes do not detect weakly degraded targets or translation inhibition events. In a fourth publication, we analyzed putative genes coding for phytohormones: Salicylic and jasmonic acid from the water fern Azolla filiculoides (A. filiculoides). We were able to show that A. filiculoides possesses most genes and protein domains to produce and perceive both phytohormones, but is likely to be insensitive towards jasmonic acid. This observation is further supported by recent studies reporting that most basal lineages of plants do not produce jasmonic acid in sufficient amounts, but instead produce dn-OPDA, a precursor of jasmonic acid. Furthermore, our data suggest that salicylic acid might be involved in the communication of the water fern with its nitrogen-fixation cyanobiont as the amount of the cyanobiont increases after long-term salicylic acid treatment. In a final study, we established the putative broad-spectrum biocontrol organism Phoma eupatorii to outcompete Phytophthora infestans infections on cultivated tomato. Biocontrol organisms are organisms that are applied to plants to prime the plant for subsequent infections or directly combat pathogens or pests by e.g. hyperparasitim or competition for nutrients. Phytophthora infestans in turn is one of the most detrimental pests of cultivated tomatoes and other Solanaceae such as potatoes or chilis. In our study Phoma eupatorii was able to inhibit Phytophthora infestans in vitro on plates and in vivo on tomato plants. In summary, the plant immune system consists of a multilayered, highly interactive system that needs to be tightly controlled in expression, as well as function to constantly co-adapt with the adaptive potential of its pathogens. The evolutionary history of the immune system might help shed light on its potential to protect plants in the future.Pflanzen konkurrieren mit Millionen anderer Organismen auf eine hochgradig interaktive Weise. Einige dieser Organismen können dabei schädlich für die Pflanze sein. Das Auftreten von Krankheiten ist jedoch die Ausnahme, während üblicherweise Resistenz vorliegt. Ihre Resistenz verdanken Pflanzen ihrem fein abgestimmten und hochwirksamen Immunsystem. Das Immunsystem erkennt schädliche Organismen anhand von konservierten Molekülen wie Chitin oder Flagellin, sowie anhand von pathogenspezifischen Effektoren - Proteine oder Peptide, die von Pathogenen sekretiert werden, um die Infektion zu ermöglichen. Die Auslösung der Immunreaktion der Pflanze versuchen Pathogene zu verhindern, indem sie ständig neue Moleküle und -mechanismen zur Infektion entwickeln. Um mit diesem hohen Anpassungspotenzial von Pathogenen Schritt halten zu können, steht das Immunsystem von Pflanzen unter einem starken Selektionsdruck. Das pflanzliche Immunsystem ist folglich ein hochdynamisches, fein abgestimmtes System. Um diese fein abgestimmte Dynamik zu erreichen, ist das pflanzliche Immunsystem auf Regulation angewiesen. Eine entscheidende Komponente dabei ist die Regulation von Resistenzgenen (R-Genen) durch microRNAs (miRs). miRs sind kleine nichtkodierende RNAs, die die Genexpression regulieren, indem sie die Degradation der messengerRNA (mRNA) oder die translationale Hemmung von Gentranskripten auslösen, einen Prozess, der als RNA-Silencing bekannt ist. Die miR482-Superfamilie trägt durch die Regulierung einer großen Familie pflanzlicher R-Gene zur Resistenz gegenüber Pathogenen bei. R-Gene aktivieren das pflanzliche Immunsystem indem sie pathogene Effektoren detektieren. Weitere wichtige Akteure des pflanzlichen Immunsystems sind Phytohormone, chemische Signalstoffe, die viele physiologischen Prozesse von Pflanzen wie Wachstum und Entwicklung sowie abiotische Stressreaktionen und Immunität koordinieren. Die wichtigsten Phytohormone in Angiospermen in Bezug auf Immunität sind Jasmonsäure und Salicylsäure. Beide chemischen Verbindungen interagieren auf antagonistische Weise: Salicylsäure aktiviert den programmierten Zelltod und führt zur Entstehung von nekrotischen Pflanzengewebe. Diese Immunreaktion begünstigt zwar nekrotrophe Organismen, da sich diese von totem Gewebe ernähren, ist jedoch zugleich schädlich für biotrophe Organismen, welche auf lebendes Wirtsgewebe angewiesen sind. Daher wird bei einer Infektion durch nekrotrophe Organismen anstelle von Salicylsäure Jasmonsäure induziert. Während meiner Doktorarbeit habe ich die Evolution, Expression und Regulierung verschiedener Ebenen des pflanzlichen Immunsystems studiert. In der ersten Veröffentlichung haben meine Co- Autoren und ich die Regulation mehrerer R-Gene durch die miR482-Superfamilie verifiziert und Muster der Co-Regulation von R-Genen und Mitgliedern der miR482-Superfamilie identifiziert. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass die Höhe der Expression der R-Gene und der miR482-Superfamilie durch die Koevolution von Pathogenen mit ihren Wirten beeinflusst wird. Neben der miR482-Superfamilie werden auch mehrere andere miRs während der Infektion herunterreguliert. Wir folgern daraus, dass die Regulierung der miR482-Familie zu einer höheren Anfälligkeit gegen das Pathogen Phytophthora infestans führt. Dieses „miR482-Paradoxon“ basiert auf der Beobachtung, dass einige Pathogene spezifische Effektoren sekretieren, um das RNA-Silencing der Pflanze zu unterdrücken. Dadurch wird jedoch die Inhibierung von R-Genen – ebenso wie weiterer Gene – durch miRs aufgehoben. Die Inhibierung des RNA-Silencings durch Pathogene (und damit die Hochregulierung der R-Gene) scheint auf den ersten Blick kontraproduktiv für Pathogene zu sein. Der Vorteil, viele andere Gene von der Inhibierung durch miRs loszulösen, könnte jedoch die negativen Folgen der Expression einiger R-Gene überwiegen. Die zweite Veröffentlichung basiert auf einer groß angelegten Metaanalyse zur Expression von mehreren hundert R-Genen von Tomaten und Kartoffeln sowohl in Gegenwart als auch in Abwesenheit einer Infektion. Unsere wichtigste Erkenntnis in dieser Publikation ist, dass eine Kerngruppe von R-Genen existiert, die unabhängig vom Infektionsstatus der Pflanze in moderaten bis hohen Mengen konstitutiv exprimiert wird. Wir schlussfolgern daher, dass nicht alle R-Gene wie bisher angenommen hohe Kosten der Expression verursachen. Der Hauptfaktor im Zusammenhang mit der unterschiedlichen Expression von R-Genen ist der Gewebetyp. Des Weiteren konnten wir zwar keine pathogeninduzierte Expression von R-Genen nachweisen, es ist aber dennoch möglich, dass die R- Proteine eine pathogenspezifische Aktivierung aufzeigen. Wie aktivierte R-Gene eine erregerspezifische Immunreaktion auslösen ist jedoch aktuell noch wenig erforscht. Um das Netzwerk der Regulation durch miRs – und insbesondere das miR482-Familie/R-Gen-Netzwerk – zu rekonstruieren, haben wir anschließend 28 öffentlich verfügbare Degradome von Tomaten analysiert. Anhand von Degradome (auch bekannt als PARE-Libraries) ist es möglich miR/mRNA- Wechselwirkungen zu verifizieren und zwar durch den Nachweis einer Überakkumulation von degradierten mRNAs, die exakt an einer miR-Schnittstelle beginnen. Insgesamt konnten wir 996 mRNA- Interaktionen für insgesamt 137 miRs, 316 isomeren Längenvarianten dieser miRs (isomiRs) und 1615 mutmaßlichen phasiRNAs nachweisen. Bei phasiRNAs handelt es sich um eine spezielle Klasse sekundärer miRs, die durch vorangehende Degradierung durch miRs erzeugt werden. Wir konnten zeigen, dass miRs zum Gen-Silencing nicht nur isomiRs sowie phasiRNAs produzieren, sondern auch Gene gleich mehrfach regulieren sowie Gene wie R-Gene oder Transkriptionsfaktoren regulieren, die ihrerseits an der Regulierung verschiedener Prozesse beteiligt sind. Unsere Ergebnisse stützen damit die „Few Target“-Hypothese der miR-Interaktionen. Diese besagt, dass miRs ihre Regulierungsstärke durch die starke Unterdrückung einer kleinen Gruppe von Genen erreichen. Die alternative „many, but weak“ Hypothese konnten wir im Rahmen dieser Arbeit jedoch nicht vollständig ausschließen, da Degradomanalysen keine schwach degradierten mRNAs oder Ereignisse translationaler Inhibierung detektieren können. In unserer vierten Veröffentlichung analysierten wir anschließend Gene des Wasserfarns Azolla filiculoides (A. filiculoides), die mutmaßlich für die Phytohormone Salicyl- und Jasmonsäure kodieren. Wir konnten zeigen, dass A. filiculoides über die meisten Gene und Proteindomänen zur Produktion und Sensitivität beider Phytohormone verfügt, jedoch wahrscheinlich Jasmonsäure nicht wahrnimmt. Diese Beobachtung wird durch neuere Studien gestützt, die zeigen, dass die meisten basalen Pflanzenlinien – zu denen auch Wasserfarne gehören – Jasmonsäure nicht in ausreichenden Mengen produzieren können, sondern stattdessen dn-OPDA, eine Vorstufe der Jasmonsäure, synthetisieren. Darüber hinaus deuten unsere Daten darauf hin, dass Salicylsäure an der Kommunikation des Wasserfarns mit seinem stickstofffixierenden Cyanobionts beteiligt sein könnte, da die Menge des Cyanobionts nach einer Langzeitbehandlung mit Salicylsäure zugenommen hat. In einer finalen Studie haben wir den mutmaßlichen Breitband-Biokontrollorganismus Phoma eupatorii etabliert, um in Zukunft Infektionen der kultivierten Tomaten mit dem Pathogen Phytophthora infestans zu bekämpfen. Biokontrollorganismen sind Organismen, die auf Pflanzen aufgebracht werden, um die Pflanzen wahlweise auf spätere Infektionen vorzubereiten oder Pathogene direkt zu bekämpfen, indem sie zum Beispiel Hyperparasitismus betreiben oder in Konkurrenz um Nährstoffe mit dem Pathogen stehen. Phytophthora infestans wiederum ist eines der schädlichsten Pathogene der kultivierten Tomate sowie anderer Nachtschattengewächse wie Kartoffeln und Chili. In unserer Studie hemmte Phoma eupatorii Phytophthora infestans in vitro auf Platten und in vivo auf Tomatenpflanzen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das pflanzliche Immunsystem aus einem vielschichtigen, hochgradig interaktiven System besteht, dessen Expression und Funktion streng kontrolliert werden muss, um eine ständige Anpassung an das hohe Entwicklungspotential potentieller Pathogene zu garantieren. Weitere Studien zur evolutionären Geschichte des Immunsystems könnten dabei helfen das Potential des Immunsystems zum Schutz von Pflanzen näher zu charakterisieren. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 16.08.2024 | |||||||
| Dateien geändert am: | 16.08.2024 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 05.10.2023 | |||||||
| Datum der Promotion: | 25.10.2023 |
