Am Rebstock werden in der Natur von Agrobacterium vitis, dem Auslöser Wurzelhalsgallenerkrankung, charakteristische Wurzelhalsgallentumore induziert. Virulente Vertreter der Gattung der Agrobacteria schleusen bakterielle DNA in das pflanzliche Genom ein, wodurch die Pflanze Tumore produziert. Die Wurzelhalsgallenerkrankung wird seit einem Jahrhundert als ein Beispiel der Pflanzen-Pathogen-Interaktion untersucht. Die Rolle der bakteriellen Flora im Zusammenhang mit der Wurzelhalsgallenerkrankung beim Rebstock wurde bisher kaum betrachtet. Um dieser Frage nachzugehen, habe ich die endophytische mikrobielle Zusammensetzung von Rebstöcken mit und ohne Wurzelhalsgalle analysiert. Es werden Proben von drei Zeitpunkten einer Wachstumsperiode (Frühling, Sommer und Herbst) und von den Organen der Rebstöcke (Wurzeln, Pfropfstelle und einjährige Triebe) sowie dem Boden in einer Weinanlage bei Himmelstadt in Unterfranken genommen. Die Bakterienflora dieser Umweltproben wird mit kultivierungsabhängigen (Isolierung von Bakterien) und kultivierungsunabhängigen (Hochdurchsatzsequenzierungen) Methoden untersucht. Zudem werden i) die Virulenz der verschiedenen Agrobacterium-Isolate in Tumorassays bestimmt, ii) synthetische Bakteriengemeinschaften von in vitro kultivierten Weinpflänzchen mit Wurzelhalsgallen analysiert, iii) die Genome von einem virulenten und einem nicht-virulenten Agrobacteria-Isolat aus der Wurzelhalsgalle verglichen, iv) erste Interaktionsstudien auf festen Nährmedien durchgeführt und v) virulente Agrobacteria mittels bildgebender Fluoreszenz-Lebenszeit-Mikroskopie (FLIM) in Wurzelhalsgallen lokalisiert. Die Rebstöcke dieser Studie haben eine organspezifische Bakterienflora, die innerhalb einer Wachstumsperiode variiert. Nur die Bakterienflora der Pfropfstelle (mit oder ohne Wurzelhalsgalle) aber nicht die des Bodens, der Wurzeln, und der einjährigen Triebe unterscheidet sich strukturell zwischen gesunden und erkrankten Rebstöcken. Mikroskopisch konnten virulente Agrobacteria punktuell in Interzellularen, sklerenchymatischen Geweben und assoziiert mit Leitgefäßen nachgewiesen werden. Dadurch ist ausreichend Lebensraum vorhanden, der zusätzlich von tumorspezifischen Bakterien besiedelt werden kann. Im Gegensatz zur gesunden Pfropfstelle ist in der Wurzelhalsgalle eine saisonal stabile Kernmikroflora, bestehend aus Vertreter von A. vitis, Pseudomonas, Enterobacteriaceae, Agrobacterium tumefaciens, Gammaproteobacteria und Burkholderiales, vorhanden. Diese Bakterien werden überwiegend aus dem Boden rekrutiert und profitieren von der Nährstoffsituation in der Wurzelhalsgalle. Wurzelhalsgallen enthalten Opine, die nur von der transformierten Pflanzenzelle produziert werden. Interessanterweise hat in dieser Arbeit ein Agrobacterium-Isolat Gene, die zum Opinkatabolismus beitragen und ein Pseudomonas-Isolat kann Opine als einzige Kohlenstoffquelle nutzen. Trotzdem sind beide Isolate weder virulent noch verdrängen sie die virulenten A. vitis, die ebenso Opine nutzen, aus der Wurzelhalsgalle. In synthetischen Bakteriengemeinschaften an in vitro kultivierten Weinpflänzchen konnte gezeigt werden, dass diese und weitere tumorspezifischen Bakterien, neben A. vitis, nicht essentiell zur Entstehung der Wurzelhalsgalle nötig sind aber unterschiedliche Funktionen in der Wurzelhalsgalle übernehmen. Ein Serratia-Isolat hemmt das Wachstum von A. vitis auf festen Nährmedium, andere fördern oder hemmen das Wachstum der Wurzelhalsgalle. Nach Studien in der Literatur erhöhen weitere Bakterien die Resistenz des Rebstocks gegenüber biotischem und abiotischem Stress. Zusammengefasst identifizierten und isolierte ich in dieser Studie unter 150 unterschiedlichen Bakterien in der Wurzelhalsgalle jene Bakterien, die neben A. vitis von der neuen ökologischen Nische profitieren und somit wahrscheinlich Opportunisten mit unterschiedlichen Funktionen sind. In Folge von multiplen Interaktionen in der Wurzelhalsgalle entsteht ein ökologisches Gleichgewicht zwischen den opportunistischen Bakterien, der Wurzelhalsgalle und dem Rebstock, das den Fortbestand des Rebstocks mit Wurzelhalsgalle ermöglicht. / In nature, Agrobacterium vitis is known for the ability to introduce bacterial DNA into the grapevine genome, thereby causing crown gall disease. This plant disease has been studied for a century as a model for plant-pathogen interaction, while the role of the plant microbiota in disease development is not well understood. My study contributes to the understanding of the microbial ecology in crown galls of grapevine, combining culture-dependent with culture-independent high-throughput sequencing techniques. I analysed the structure of the endophytic microbiota by collecting different samples (soil, roots, graft unions and canes) of diseased and non-diseased grapevines from one vine-yard in Franconia, Bavaria, Germany during one growing season (spring, summer, autumn). The characterization of the grapevine-associated bacterial microbiota was completed by (i) detecting the virulence of diverse agrobacterial isolates using a tumour growth assay with in vitro cultivated grapevine plantlets, (ii) microbial analysis of synthetic communities of in vitro cultivated grapevine plantlets with crown galls, (iii) genome sequencing of a virulent and a non-virulent agrobacterial isolate, (iv) in vitro interaction studies on solid medium with bacterial isolates and (v) localisation of virulent A. vitis using Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM) in tumour tissues. Grapevine plants of this study have an organ-specific bacterial community that varies during one growing season. Healthy and diseased grapevine plants differed in the struc-ture of the bacterial community only in the graft union (with or without a crown gall), but not in the soil, root and one-year old cane. Microscopy revealed that virulent Agrobacteria mainly accumulate in defined spots of sclerenchymatous tissue, intercellular space and tissues associated with vessels. Therefore, there is unoccupied living space in a crown gall, which can be additionally colonized by tumour-specific bacteria. A season-independent stable core bacteria exists in grapevine crown galls in contrast to healthy graft unions, consisting of OTUs assigned to A. vitis, Pseudomonas, Enterobacteriaceae, Agrobacterium tumefaciens, Gammaproteobacteria and Burkholderiales. These bacteria are predominantly recruited from the soil and most likely profit from special nutrients in the crown gall. The crown gall contains opines, exclusively produced by transformed plant cells. Curiously individual isolates of Agrobacteria and Pseudo-monas of this study that are non-virulent do not outcompete virulent A. vitis in the crown gall but harbour, like A. vitis, genes involved in octopin-catabolism or use opines in liquid cultures as a sole nutrient source. Although synthetic bacterial communities revealed that the tumour-specific bacteria are not required for crown gall induction us-ing in vitro grown grapevine plantlets, they may have different functions in crown gall persistence. A Serratia-isolate inhibits the growth of A. vitis on solid medium, others reduce or support crown gall development, while some, according to literature, increase resistance of the grapevine plant against biotic and abiotic stresses. Taken together, among the 150 bacteria found in the crown galls, I identified and isolated bacteria in addition to A. vitis that profit from the new ecological niche suggesting an opportunistic lifestyle with different ecological functions. An ecological equilibrium in a bacterial community that balances crown gall growth will support the existence of grapevine plants with a crown gall in vineyards.

Thesis (MSc (Genetics))--University of Stellenbosch, 2011. / Includes bibliography / ENGLISH ABSTRACT: This study investigated the use of antimicrobial peptides (AMPs) as possible source of resistance against a range of pathogens in grapevine. Whilst the ultimate aim would be to express AMPs in grapevine, the development of transgenic grapevine is time consuming and therefore pre-screening of potential AMPs is necessary. These small molecules, of less than 50 amino acids in length, are expressed by almost all organisms as part of their non-specific defence system. In vitro pre-screening of AMP activity is valuable but is limited since the activity on artificial media may differ from the AMP activity in planta. These tests are also restricted to pathogens which can be cultured in vitro. These limitations can be overcome by using transient expression systems to determine the in planta activity of AMPs against pathogens of interest. In this study transient systems were used to express AMPs in developed plant tissue to test their efficacy against grapevine pathogens such as Agrobacterium vitis, Xylophilus ampelinus and aster yellows phytoplasma. Aster yellows phytoplasma, which was recently discovered in local vineyards, is known to cause extensive damage and therefore pose a great threat to the South African grapevine industry. To study the in planta effect of AMPs against the abovementioned pathogens, transient expression vectors were constructed expressing either of the AMPs D4E1 or Vv-AMP1. D4E1 is a synthetically designed AMP known to be active against bacteria and fungi, while Vv-AMP1, isolated from grapevine berries, has already shown activity against fungi. In a transient approach in grapevine, the expression of foreign genes from viral and non-viral vectors was confirmed by expression of the marker genes β-glucuronidase and Green Fluorescent Protein, while tissue-printing immunoassays confirmed viral replication and systemic spread in Nicotiana benthamiana. The viral vectors were based on the phloem-limited virus grapevine virus A. Only Agrobacterium-mediated 35S transient expression vectors were used for AMP in planta activity screening since the viral-mediated expression in grapevine was insufficient for screening against A. vitis and X. ampelinus as it was restricted to phloem tissues after whole-leaf infiltration. No phytoplasma-infected material could be established and as a result AMP activity screening was only performed against the A. vitis and X. ampelinus. Quantification of the bacteria was performed by qPCR. Vv-AMP1 did not show activity against either of the two bacteria in planta while D4E1 was found to be active against both. The observed in planta activity of D4E1 correlated with the in vitro activity as measured in an AMP plate bioassay. In contrast to in vitro screenings, the in planta AMP activity screening might give a more accurate representation of the potential antimicrobial activity of the peptide in a transgenic plant environment. This study proved that transient expression systems can be used as a pre-screening method of AMP activity in planta against grapevine pathogens, allowing the screening of various AMPs in a relatively short period of time before committing to transgenic grapevine development. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie studie het die gebruik van antimikrobiese peptiede (AMPe) as 'n moontlik bron van weerstand teen 'n reeks van patogene in wingerd ondersoek. Alhoewel die uiteindelike doel sal wees om AMPe uit te druk in wingerd, is transgeniese wingerd ontwikkeling tydrowend en daarom is vooraf evaluering van potensiële AMPe nodig. Hierdie klein molekules, van minder as 50 aminosure in lengte, word uitgedruk deur amper alle organismes as deel van hul nie-spesifieke verdedigingsisteem. In vitro vooraf evaluering van AMP aktiwiteit is van waarde, maar is beperk aangesien die aktiwiteit op kunsmatige media mag verskil van die AMP-aktiwiteit in planta. Hierdie toetse is ook beperk tot patogene wat in vitro gekweek kan word. Hierdie beperkinge kan oorkom word deur gebruik te maak van tydelike uitdrukkingsisteme om die in planta aktiwiteit van AMPe te bepaal teen patogene van belang. In hierdie studie is tydelike uitdrukkingsisteme gebruik om AMPe uit te druk in ontwikkelde plantweefsel om hul effektiwiteite te toets teen wingerdpatogene soos Agrobacterium vitis, Xylophilus ampelinus en aster yellows fitoplasma. Aster yellows fitoplasmas, wat onlangs in plaaslike wingerde ontdek is, is bekend vir die uitgebreide skade wat hul aanrig en hou daarom 'n groot bedreiging in vir die Suid-Afrikaanse wingerd industrie. Om die in planta effek van AMPe teen die bogenoemde patogene te bestudeer is tydelike uitdrukkingsvektore ontwikkel wat die AMPe D4E1 of Vv-AMP1 uitdruk. D4E1 is 'n sinteties-ontwerpte AMP wat aktief is teen bakterieë en fungi, terwyl Vv-AMP1, wat uit druiwekorrels geïsoleer is, alreeds aktiwiteit teen fungi getoon het. In 'n tydelike uitdrukkingsbenadering in wingerd is die uitdrukking van transgene, vanaf virus of nie-virus gebaseerde vektore, bevestig deur die uitdrukking van die merker gene β-glukuronidase en die Groen Fluoresserende Proteïen, terwyl weefsel afdrukkings-immunotoetse virus replisering en sistemiese beweging in Nicotiana benthamiana bevestig het. Die virusvektore was gebaseer op die floëem-beperkte virus, wingerdvirus A. Slegs Agrobacterium-bemiddelde 35S tydelike uitdrukkingsvektore is gebruik om die AMP in planta aktiwiteit te bepaal aangesien die virus-bemiddelde uitdrukking in wingerd onvoldoende was vir evaluering teen A. vitis en X. ampelinus weens die beperking tot die floëem weefsel na infiltrering van die totale blaar. Geen fitoplasma geïnfekteerde materiaal kon gevestig word nie, en daarom is AMP aktiwiteitsevaluering slegs teen A. vitis en X. ampelinus uitgevoer. Kwantifisering van die bakterieë is deur middel van qPCR uitgevoer. Vv-AMP1 het geen aktiwiteit getoon teen enige van die bakterieë in planta nie, terwyl D4E1 aktief was teen beide. Die waargenome in planta aktiwiteit van D4E1 het ooreengestem met die in vitro aktiwiteit soos bepaal deur 'n AMP plaat bio-toets. In kontras tot in vitro evaluering kan die in planta AMP-aktiwiteit evaluering 'n meer akkurate voorspelling bied van die potensiële antimikrobiese aktiwiteite van die peptied in 'n transgeniese plant omgewing. Hierdie studie het bewys dat tydelike uitdrukkingsisteme gebruik kan word as 'n voorafgaande evalueringsmetode vir AMP in planta aktiwiteit teen wingerdpatogene, wat die evaluering van 'n verskeidenheid AMPe in 'n relatiewe kort tydperk toelaat voor verbintenis tot die ontwikkeling van transgeniese wingerd.