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Effects of early drought stress and bacterial endophytes on gene expression and plant physiology in pepper (Capsicum annuum L.)

Astrid Heide Sziderics

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Eva Wilhelm

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DOI

10.25365/thesis.10178

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-30014.81101.775663-3

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Wassermangel ist einer der Hauptfaktoren, die die Paprikaproduktion beschränken. Grundlegendes Wissen über die physiologischen und molekularbiologischen Zusammenhänge sind Voraussetzung für die Entwicklung trockenheitstoleranter Pflanzen. Auch durch Endophyten kann die Stresstoleranz gesteigert werden. In dieser Arbeit wurden die Reaktionen bezüglich physiologischer Parameter und der Genexpression in verschiedenen Pflanzenorganen von Paprika auf beginnenden Trockenstress sowie die Wirkung endophytischer Bakterien untersucht. Biochemische Analysen, real-time RT-PCR und Suppression Subtractive Hybridisation wurden mit Microarray-Analysen verbunden. Da es für Paprika keine repräsentative Microarray-Plattform gibt, wurden vorhandene, mutmaßlich auf Trockenstress reagierende ESTs verschiedener Pflanzenspezies, zusätzlich auf das Microarray gespottet, wodurch ein stress-spezifisches Mulit-Species-Array entstand. Die Pflanzen reagierten auf den Wassermangel mit Anpassung des osmotischen Potentials und Anreicherung von Raffinose und Glucose in den Wurzeln. In den Blättern nahm dagegen der Gehalt an Fructose und Saccharose zu. Die Werte für Galactinol und Hydroxyprolin stiegen in beiden Pflanzenorganen an. In den Blättern reicherten sich außerdem verschiedene Polyamine an, deren Gehalt in den Wurzeln reduziert war. Im Gegensatz dazu nahm der Prolin-Gehalt in den Wurzeln enorm zu und in den Blättern ab. Erhöhte Mengen Prolin wurden auch in den Pflanzen, die mit den Endophyten inokuliert wurden, festgestellt. Die Genexpressionen von ESTs, die Enzyme kodieren, die im Zusammenhang mit dem Stoffwechsel von Prolin stehen, paßten mit dem metabolischen Profil der Pflanzen überein. Die Inokulation mit Endophyten führte zu einer Veränderung der Regulierung von zwei Genen, die mit der Prolin-Synthese in Zusammenhang stehen. Durch die 1-Aminocyclopropan-1-Carboxylate(ACC)-Deaminase produzierenden Bakterien änderte sich auch die Expression des Gens, welches das Enzym ACC Oxidase codiert. Dieses Enzym katalysiert den letzten Schritt der Ethylen-Synthese. Eine Microarray-Analyse der Klone der SSH-Libraries ergab 109 trockenstress-induzierte ESTs. Zwar wurden diese in Blättern und Wurzeln unterschiedlich reguliert, jedoch nicht in gegensätzliche Richtungen. Durch Hybridisierung des Microarrays mit subtrahierter cDNA konnten zusätzlich 286 ESTs einem Forward- oder Reverse-Library zugeordnet werden. Das breite Spektrum der funktionellen Klassen der sequenzierten ESTs spiegelt die Komplexität der Stressantwort der Pflanzen wider. Die Hybridisierung des Multi-Species-Microarrays mit cDNA gestresster Paprikapflanzen resultierte in Abhängigkeit von der Pflanzenart und derer phylogenetischen Distanz zu Paprika in Hybridisierungsraten zwischen 57,9% und 95,7%. Zwar ergab die Analyse homologer Gene einen deutlichen Verlust an Aussagekraft durch die Verwendung verschiedener Spezies, jedoch standen die mit den Sonden der verschiedenen Spezies gemessenen Genexpressionen nicht im deutlichen Gegensatz zur Performance der Paprika-Sonden. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit neue Einblicke in die Auswirkungen von beginnendem Trockenstress auf Paprikapflanzen und gibt einen Hinweis auf eine mögliche Stressreduktion durch bakterielle Endophyten.

Abstract

(Englisch)

Water deficit is one of the major limitations in pepper production. A fundamental understanding of the physiological and molecular networks is essential to develop drought tolerant plants. Furthermore endophytic bacteria can enhance stress resistance. In this thesis early drought stress response in different plant organs as well as the effect of endophytic bacteria on physiological parameters and gene expression were analysed. Biochemical measurements, real-time RT-PCR and suppression subtractive hybridisation (SSH) were coupled with microarray analyses. As for pepper no microarray platform exists probes of putative drought responsive genes of different plant species were added to the microarray resulting in a stress-specific multi-species array. Pepper plants adapted to water deficit by adjustment of their osmotic potential and accumulated raffinose and glucose in roots. In contrast amounts of fructose and sucrose increased in leaves. Galactinol and hydroxyproline levels were elevated in both plant organs. In leaves diverse polyamines were accumulated too, whereas their content was reduced in roots. The content of proline increased tremendously in roots but was reduced in leaves. Increased levels of proline were also found in plants inoculated with endophytic bacteria. Gene expression of ESTs encoding for enzymes related to proline metabolism matched the metabolic profile of the stressed plants. Inoculation with endophytes resulted in changed expressions of two proline synthesis related genes. The 1-aminocyclopropane-1-carboxylate (ACC) deaminase producing bacteria also altered the expression of an EST encoding for ACC oxidase, which catalyses the final step of ethylene biosynthesis. Microarray analyses of the clones of the SSH-libraries resulted in 109 unique drought responsive ESTs. Their expression differed within leaves and roots, but none was regulated into opposite direction within the two organs. In addition 286 ESTs were related to forward or reverse libraries by hybridisation of the array with subtracted cDNAs. The sequenced ESTs could be assigned to a broad spectrum of functional classes, which reflects the complexity of the response of the plants. Hybridisation of the multi-species microarray with cDNAs of stressed pepper plants resulted in hybridisation rates ranging from 57.9% to 95.7% depending on the plant species and their phylogenetic distance to pepper. Analysis of homologous genes revealed a distinct loss of power. However, none of the analysed expression rate of the cross-species probes was in clear contrast to the performance of the pepper probes. In summary this thesis provides new insights into drought stress response of pepper plants and suggests abiotic stress reduction by bacterial endophytes.

Autor*innen

Astrid Heide Sziderics

Haupttitel (Englisch)

Effects of early drought stress and bacterial endophytes on gene expression and plant physiology in pepper (Capsicum annuum L.)

Paralleltitel (Deutsch)

Wirkung von beginnendem Trockenstress und bakteriellen Endophyten auf die Genexpression und Pflanzenphysiologie in Paprika (Capsicum annuum L.)

Publikationsjahr

2010

Umfangsangabe

80 S. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Eva Wilhelm ,

Nicholas Smirnoff

Klassifikationen

42 Biologie > 42.41 Pflanzenphysiologie ,

42 Biologie > 42.43 Pflanzengenetik

AC Nummer

AC08241381

Utheses ID

9197

Studienkennzahl

UA | 091 | 444 | |

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