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The interdependent effects of the pathogen Didymella pinodes and the symbionts rhizobia and mycorrhiza on Pisum sativum

Reinhard Turetschek

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Biologie)

Betreuer*in

Stefanie Wienkoop

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DOI

10.25365/thesis.46179

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-21280.02246.812066-9

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Biotischer Stress in Form von Mikroorganismen ist für Pflanzen allgegenwärtig, jedoch verfügen nur wenige Pathogene über das notwendige biochemische Arsenal um in eine Wirtspflanze einzudringen. Im evolutionären Verlauf führten gegenseitige Anpassung von Pathogen und Wirt zu spezialisierten Beziehungen der Organismen die ähnlich einem Schlüssel Schloss Prinzip interagieren. Andererseits verfügen manche Krankheitserreger über die Fähigkeit eine Vielzahl an Pflanzenspezies infizieren zu können. Die Brennfleckenkrankheit (Ascochyta blight) wurde ursprünglich als erbsenspezifisch betrachtet, ist nun aber als Breitbanderreger von Leguminosen bekannt. Dennoch ist Erbse der Hauptwirt und jährlich werden weltweit erhebliche Einbußen auf diese Krankheit zurückgeführt. Der Haupterreger in diesem Krankheitskomplex, der aus mehreren Pilzspezies besteht, ist Didymella pinodes. Die Mechanismen, mit denen sich der hemibiotrophische Pilz D. Pinodes Zutritt zu den Wirtszellen verschafft, sind nur teilweise bekannt. Ebenso beschränkt ist das Wissen über die biochemische Stressantwort der Pflanze die über unzählige Stoffwechselwege passiert. Genauso umfangreich wie der Einfluss eines Krankheitserregers gestaltet sich auch die Auswirkung von nützlichen Mikroben auf den Stoffwechsel einer Pflanze. Im Fall von Leguminosen ist es die essentielle Beziehung mit Rhizobien, aber auch mit den weit verbreiteten Mycorrhiza Pilzen, die den Stoffwechsel der Pflanze beeinflusst. Hier kann man ebenso von einer spezialisierten Beziehung sprechen, da beherbergte Mikroben das Immunsystem der Pflanze beeinflussen um eine Abwehrreaktion zu unterdrücken. Vorhergehende Studien hatten gezielte Untersuchungen zu möglichen Erreger-Wirts, oder Wirts-Mikroben Interaktionen durchgeführt mit Fokus auf Komponenten des Immunsystems der Pflanze. Mit Hochdurchsatz Methoden verschafft Systembiologie einen Gesamteindruck sowohl über die metabolische Auswirkung der Symbionten Interaktion, als auch über die Stressantwort gegenüber D. Pinodes. In den hier beinhalteten Publikationen wurden daher das Proteome und das Metabolome als wichtigste Elemente des Stoffwechsels analysiert. Grundlegend für das Generieren der proteomischen Ergebnisse war die Sammlung von Sequenzdaten und Erstellung einer umfangreichen Proteindatenbank, die überdies kultivarspezifische Sequenzdaten beinhaltet, welche über de novo Sequenzierung von MS/MS Daten gewonnen wurde. Die Arbeitsschritte wurden detailliert in einer Publikation dargestellt um sie einer größtmöglichen Gruppe zur Verfügung zu stellen. Im ersten Experiment wurde das D. Pinodes empfindliche Kultivar Messire mit verschiedenen Kombinationen von Symbionten beimpft (Mykorrhiza, Rhizobien, Co-Inokulation, ohne Symbionten), um zu sehen wie sich die Symbiose auf den Stoffwechsel der Blätter auswirkt und ob die Interaktion die Abwehrreaktion der Pflanze beeinflusst. Wir konnten dadurch zeigen, dass sowohl Mykorrhiza als auch Rhizobien Änderungen im RNA Metabolismus und in der Proteinsynthese herbeiführen. Mykorrhiza alleine beeinflusste Stoffwechselfunktionen die mit dem Umgang von Metallen beschäftigt sind und mit der Unschädlichmachung von reaktiven Sauerstoffspezies. Co-Inokulation mit Rhizobien und Mykorrhiza bewirkte die Synthese von Proteinen die mit einer Stressantwort in Verbindung stehen. Wie erwartet, war die allgemeine Abwehrreaktion gegen D. Pinodes geprägt von hormoneller Abstimmung (Jasmonat, Ethylen), Beseitigung von reaktiven Sauerstoffspezies und Aktivierung des sekundären Stoffwechsels. Die Leguminosen innewohnende Interaktion mit Rhizobien zeigte bei Pathogeninfektion eine verstärkte Aktivierung des Citratzyklus, des Aminosäurestoffwechsels und des Sekundärstoffwechsels, was die Synthese von Pisatin inkludiert. Wir weisen darauf hin, dass es sich hierbei um eine induzierte systemische Resistenzreaktion handeln könnte. In einem zweiten Experiment wurde gezeigt, dass die Interaktion mit Symbionten stärkeren Einfluss auf ein D. pinodes empfindliches als auf ein tolerantes Kultivar (Protecta) hat. Umgekehrt hatte die Infektion mit D. pinodes eine stärkere Auswirkung auf die symbiontische Interaktion des empfindlichen Kultivares, was sich im Knöllchengewicht und Mykorrhiza-Besiedlung bemerkbar machte. Die effizientere Abwehrreaktion des toleranten Kultivares zeichnete sich aus durch Aufrechterhaltung der Photosynthese, sowie der Versorgung mit Zuckern und Kohlenstoffgerüsten aus, welche den Sekundärmetabolismus speisen. Schwefel Stoffwechsel, die Funktionsfähigkeit des Glutathion-Ascorbat Zyklus sowie Feineinstellung der Hormonsynthese um den induzierten Zelltod zu verhindern scheinen die Resistenz zu fördern.

Abstract

(Englisch)

Biotic stress caused by microorganisms is omnipresent, however just a few pathogens possess the biochemical arsenal to invade a host. Evolution lead to mutual adaptations and some pathogens evolved specialised strategies for host invasion analogues to a key-lock principle. Other pathogens are able to infect several plant species. Ascochyta blight was long time thought to be a host specific disease of Pisum sativum, but is now known to infect many alternative legume hosts. Still, pea is the main host and significant yield losses are recorded globally every year. The causing agent in this fungi complex is known to be Didymella pinodes. The components this hemibiotrophic pathogen uses to access the host are partly known. Similarly limited is the current knowledge about the biochemical stress response of the plant. Like the multitude of effects a pathogen has on its host, are the great influences of beneficial microbes on the plant metabolism. In case of legumes it is the essential relation with rhizobia, but also mycorrhiza. This relation is much specialised as rhizobia alter the plants immune system to suppress a defense response. Previous studies focused mainly on components of the host plant interacting with pathogens or beneficial microbes. By applying high-throughput methods, systems biology provides an overall picture of the metabolic impact of the symbionts on the host, as well as of the stress response against D. pinodes. Hence, in the here included publications, the proteome and the metabolome as integral parts of metabolism were analysed. Essential for the generation of the here presented proteomic results was the collection of sequence data and the compilation of a comprehensive protein database, which moreover contains genotypic sequence variations that was obtained through de novo sequencing of MS/MS data. The workflow was presented in detail in the here included publication and is available for scientists facing related issues. In our first experiment, the susceptible pea cultivar Messire was inoculated with different combinations of symbionts (mycorrhiza, rhizobia, co-inoculation, no symbionts) to examine in what way symbionts influence leaf metabolism and to see whether symbiosis affects the plant defense response against D. pinodes. With our obtained results we could show that mycorrhiza and rhizobia alter leaf RNA metabolism and protein synthesis. Mycorrhiza alone influenced metabolic functions handling metals and disposal of reactive oxygen species. Co-inoculation with rhizobia and mycorrhiza caused accumulation of proteins related to a stress response, however, during infection the defence response was dampened. The general defense response against D. pinodes was characterised by accumulation of proteins modulating hormone levels (jasmonate, ethylene), disposal of reactive oxygen species and activation of secondary metabolism including proteins of the P. sativum typical pisatin pathway (i.g. 6a-hydroxymaackiain 3-O-methyltransferase). The legumes inherent interaction with rhizobia lead to enhanced activation of the citric acid cycle, amino acid metabolism and secondary metabolism including proteins involved in the synthesis of pisatin. The data indicate that this is mediated by the phenomena of induced systemic resistance. A second experiment showed that symbiont interaction influences a susceptible cultivar ́s defense response heavier than a tolerant (Protecta) ones. This implied that the infection with D. pinodes had a stronger impact on the symbiotic interaction in the susceptible cultivar, which was noticed in nodule weight and mycorrhiza colonisation. The more effective defense response of the tolerant cultivar distinguished from the susceptible cultivar through sustainment of photosynthesis, provision of sugars and carbon skeletons supplying secondary metabolism. In addition, sulphur metabolism, functioning of the glutathione-ascorbate hub and hormonal adjustment to avoid induced cell death seem to promote tolerance.

Autor*innen

Reinhard Turetschek

Haupttitel (Englisch)

The interdependent effects of the pathogen Didymella pinodes and the symbionts rhizobia and mycorrhiza on Pisum sativum

Paralleltitel (Deutsch)

Der gegenseitige Einfluss vom Pathogen Didymella pinodes und Symbionten (Rhizobien und Mycorrhiza) auf Pisum Sativum

Publikationsjahr

2017

Umfangsangabe

122 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Angela Sessitsch ,

Lutz Eichacker

Klassifikation

30 Naturwissenschaften allgemein > 30.00 Naturwissenschaften allgemein: Allgemeines

AC Nummer

AC13680912

Utheses ID

40861

Studienkennzahl

UA | 794 | 685 | 437 |

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Schlagwörter