Dokument: The role of N-Hydroxypipecolic acid in plant resistance

Titel:	The role of N-Hydroxypipecolic acid in plant resistance
Weiterer Titel:	Die Rolle von N‑Hydroxypipecolsäure in der pflanzlichen Resistenz
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=73689
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20260706-094904-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Schnake, Anika [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 5,64 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 21.06.2026 / geändert 04.07.2026
Beitragende:	Prof. Dr. Zeier, Jürgen [Gutachter] Prof. Dr. Rose, Laura [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 580 Pflanzen (Botanik)
Beschreibungen:	In the defense against pathogens, plants have developed a multi-layered immune system based on a complex signaling network. The establishment of defense reactions against pathogens in plants is controlled by defense related metabolites and plant hormones. Major players in this complicated network are the phenolic compound salicylic acid (SA) and the recently discovered secondary metabolite N-hydroxypiplecolic acid (NHP). Both compounds accumulate at the local site of a pathogen infection and in systemic parts of plants and thereby trigger changes in plants metabolome which can lead to a local or systemic acquired resistance (LAR or SAR) against the attacking pathogen. The role of SA has been studied extensively in mono- and dicotyledonous plant species, but the role of NHP is not fully elucidated yet. The aim of this thesis is to gain further inside in role of NHP in plant immunity. To identity the role of NHP in local in systemic immune responses of mono- and dicotyledonous plant species, the infection with suitable pathogens of two monocotyledonous and two dicotyledonous plant species was studied. Via GC-MS analyses the metabolite accumulation after infections was evaluated in time-courses and showed the accumulation of NHP after the infection in all studied plant species. Furthermore, the exogenous application of NHP was shown to lead to an induced resistance in the monocotyledonous model organism Brachypodium distachyon and in dicotyledonous crop plants (cucumber and tobacco). Additionally, the establishment of SAR in the monocot B. distachyon was demonstrated in parallel with a local and systemic accumulation of SA and NHP suggesting similar mechanisms in the induction of local and systemic immune responses of B. distachyon and the studied dicotyledonous plant species. Although diverse strategies to accumulate NHP have been identified in the studied mono- and dicotyledonous plant species, the here presented results suggest a conserved function of NHP in plants immunity. Plant pathogens developed diverse lifestyle and infection strategies to infest their hosts and dependent on these strategies are categorized as biotrophic, hemibiotrophic or necrotrophic pathogens. While biotrophic pathogens feed on living plant tissue and therefore dependent on a living plant host, necrotrophic pathogens in contrast kill their hosts to feed on lysed plant cells. Hemibiotrophic pathogens have an initial biotrophic phase and then switch to a necrotrophic phase. So far, the biosynthesis of NHP and its immune inducing function against biotrophic and hemibiotrophic pathogens has been demonstrated in the dicotyledonous plant II model organism Arabidopsis thaliana, but the role of NHP in the defense against pathogens with a necrotrophic lifestyle is not clear. Therefor this thesis aimed to investigate the role of NHP in the plant defense against pathogens with various lifestyle and infection strategies using A. thaliana as model organism. GC-MS analyses of the with biotrophic (oomycete), hemobiotrophic (bacteria or fungi) and necrotrophic (fungi) pathogens infected A. thaliana plants revealed a NHP accumulation in local and systemic leaves. To investigate if NHP also covers resistance to those pathogens exogenous NHP was applied to A. thaliana plants. It was demonstrated that NHP induces resistance in A. thaliana against pathogens with biotrophic, hemibiotrophic and necrotrophic lifestyles. It was further demonstrated that bacterial and fungal infections of A. thaliana leaves trigger an efficient SAR against hemibiotrophic and necrotrophic fungi dependent on a functional SA and NHP signaling pathways. Studies have shown that SA induced defense responses induce resistance to biotrophic and hemibiotrophic pathogens. This study indicates that NHP in contrast plays an important role of in the defense against pathogens of all investigated lifestyles including the necrotrophic pathogen Botrytis cinerea. Via fluorescence microscopy this study further showed that callose deposition are formed in A. thaliana leaves after NHP treatments which might contribute to the mechanisms of NHP induced resistance against the investigated pathogens with various lifestyles. This study supports that the establishment of local and systemic defense responses of plants against pathogens requires the interplay of the small metabolites SA and NHP. It has been demonstrated in several studies that SA induced defense responses are regulated by NON-EXPRESSOR OF PR GENES 1 (NPR1) proteins. The direct binding of NPR1 with SA was demonstrated in recent studies. Since SA and NHP exhibit similar structural characteristics and NHP was demonstrated to induce SA-independent but NPR1-dependent activation of immunty it was investigated if a Strep-NPR1 protein expressed in Escherichia coli can bind NHP by the same mechanisms as it binds SA. The here presented results demonstrate that NPR1 does not bind NHP. These findings suggest the existence of yet unknown mechanisms in the NHP induced activation of SA-independent NPR1 mediated immune responses. Zur Abwehr von Krankheitserregern haben Pflanzen ein vielschichtiges Immunsystem entwickelt, das auf einem komplexen Signalnetzwerk beruht. Die Einleitung von Abwehrreaktionen gegen Krankheitserreger in Pflanzen wird durch abwehrrelevante Sekundärmetabolite und Pflanzenhormone gesteuert. Hauptakteure in diesem komplizierten Netzwerk sind die Phenolverbindung Salicylsäure (SA) und der kürzlich entdeckte Sekundärmetabolit N-Hydroxypiplecolsäure (NHP). Beide Verbindungen reichern sich am lokalen Ort einer Pathogeninfektion und in systemischen Pflanzenteilen an und lösen dadurch Veränderungen im Metabolom der Pflanzen aus, die zu einer lokalen oder systemischen erworbenen Resistenz (LAR oder SAR) gegen das angreifende Pathogen führen können. Die Rolle von SA wurde bei monokotylen und dikotylen Pflanzenarten eingehend untersucht, die Rolle von NHP ist jedoch noch nicht vollständig geklärt. Ziel dieser Arbeit ist es, die Rolle der NHP in der Pflanzenimmunität besser zu verstehen. Um die Rolle der NHP bei lokalen und systemischen Immunantworten von ein- und zweikeimblättrigen Pflanzenarten zu ermitteln, wurde die Infektion mit geeigneten Pathogenen von zwei monokotylen und zwei dikotylen Pflanzenarten untersucht. Durch GC-MS Analysen wurde die Akkumulation von ausgewählten Metaboliten nach der Infektion in Zeitverläufen untersucht und zeigte die Akkumulation von NHP nach der Infektion in allen untersuchten Pflanzenarten. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die exogene Zugabe von NHP zu einer induzierten Resistenz in dem monokotylen Modellorganismus Brachypodium distachyon und in dikotylen Nutzpflanzen (Gurke und Tabak) führt. Außerdem wurde die Etablierung der SAR im monokotylen B. distachyon parallel zu einer lokalen und systemischen Akkumulation von SA und NHP nachgewiesen, was auf ähnliche Mechanismen bei der Induktion lokaler und systemischer Immunreaktionen von B. distachyon und den untersuchten dikotylen Pflanzenarten schließen lässt. Obwohl bei den untersuchten mono- und dikotylen Pflanzenarten unterschiedliche Strategien zur Akkumulation von NHP identifiziert wurden, deuten die hier vorgestellten Ergebnisse auf eine konservierte Funktion von NHP in den pflanzlichen Abwehrmechanismen hin. Pflanzenpathogene haben verschiedene Lebens- und Infektionsstrategien entwickelt, um ihre Wirte zu befallen und abhängig von diesen Strategien werden sie in biotrophe, hemibiotrophe oder nekrotrophe Pathogene eingeteilt. Während sich biotrophe Erreger von lebendem IV Pflanzengewebe ernähren und daher auf einen lebenden Pflanzenwirt angewiesen sind, töten nekrotrophe Erreger dagegen ihre Wirte ab, um sich von lysierten Pflanzenzellen zu ernähren. Hemibiotrophe Erreger durchlaufen zunächst eine biotrophe Phase und gehen dann in eine nekrotrophe Phase über. Bisher wurde die Biosynthese von NHP und seine immuninduzierende Funktion gegen biotrophe und hemibiotrophe Pathogene in dem dikotylen Pflanzenmodellorganismus Arabidopsis thaliana nachgewiesen, die Rolle von NHP bei der Abwehr von Pathogenen mit nekrotropher Lebensweise ist jedoch unklar. Ziel dieser Arbeit war es daher, die Rolle der NHP bei der pflanzlichen Abwehr von Pathogenen mit unterschiedlicher Lebensweise und Infektionsstrategien am Beispiel von A. thaliana zu untersuchen. GC-Analysen der mit biotrophen (Oomyceten), hemobiotrophen (Bakterien oder Pilze) und nekrotrophen (Pilze) Krankheitserregern infizierten A. thaliana Pflanzen ergaben eine NHP-Akkumulation in lokalen und systemischen Blättern im Infektionsverlauf. Um zu untersuchen, ob NHP auch die Resistenz gegen diese Krankheitserreger abdeckt, wurde exogenes NHP auf A. thaliana Pflanzen appliziert. Es wurde gezeigt, dass NHP in A. thaliana eine Resistenz gegen Krankheitserreger mit biotropher, hemibiotropher und nekrotropher Lebensweise induziert. Ferner wurde gezeigt, dass bakterielle und pilzliche Infektionen von A. thaliana Blättern eine effiziente SAR gegen hemibiotrophe und nekrotrophe Pilze auslösen, die von funktionierenden SA- und NHP-Signalwegen abhängt. Studien haben gezeigt, dass SA-induzierte Abwehrreaktionen eine Resistenz gegen biotrophe und hemibiotrophe Krankheitserreger auslösen. Diese Studie zeigt, dass NHP dagegen eine wichtige Rolle bei der Abwehr von Pathogenen aller untersuchten Lebensformen einschließlich nekrotropher Pathogene spielt. Mittels Fluoreszenzmikroskopie konnte in dieser Studie außerdem gezeigt werden, dass sich in den Blättern von A. thaliana nach NHP-Behandlungen Kalloseablagerungen bilden, welche zu den Mechanismen der NHP induzierten Resistenz gegen die untersuchten Krankheitserreger mit unterschiedlichen Lebensweisen beitragen könnten. Diese Studie belegt, dass die Etablierung lokaler und systemischer Abwehrreaktionen von Pflanzen gegen Krankheitserreger das Zusammenspiel der Metaboliten SA und NHP erfordert. In mehreren Studien wurde nachgewiesen, dass SA-induzierte Abwehrreaktionen durch NON-EXPRESSOR OF PR GENES 1 (NPR1) Proteine reguliert werden. Auch die direkte Bindung von V SA an NPR1 wurde in kürzlich veröffentlichten Studien nachgewiesen. Da SA und NHP ähnliche strukturelle Eigenschaften aufweisen und NHP nachweislich eine SA-unabhängige NPR1-Aktivierung auslöst, wurde untersucht, ob ein in Escherichia coli exprimiertes Strep-NPR1 Protein NHP über die gleichen Mechanismen wie SA binden kann. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass NPR1 nicht NHP bindet, wie bereits in früheren Studien gezeigt wurde. Diese Ergebnisse deuten auf noch unbekannte Mechanismen bei der NHP-induzierten Aktivierung von SA-unabhängigen NPR1-vermittelten Immunantworten hin.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie
Dokument erstellt am:	06.07.2026
Dateien geändert am:	06.07.2026
Promotionsantrag am:	14.03.2024
Datum der Promotion:	08.07.2025