Hannover, University, Diss., 2002.

Ebenso wie Tiere verfügen Pflanzen über die Fähigkeit elektrische Signale zu generieren. Dabei repräsentieren elektrische Signale – Membranpotentialänderungen an der Plasmamembran – die frühesten Antworten, welche an Pflanzenzellen im Zuge veränderter externer und intrinsischer Bedingungen beobachtet werden können. Stimuli wie Kälte, Hitze, Verwundung, Herbivorie und Pathogene, aber auch physiologische Prozesse, wie Wachstum und Bestäubung führen zur Änderung des Potentials der Plasmamembran pflanzlicher Zellen. Die meisten dieser Membranpotentialänderungen bestehen aus einer schnellen Depolarisation, gefolgt von einer Repolarisation des Membranpotentials, deren Kinetik, in Abhängigkeit des Stimulus hoch variabel sein kann. Das Wissen über die molekularen Grundlagen der Generierung und Weiterleitung elektrischer Signale in Pflanzen ist im Gegensatz zu Tieren nur wenig verstanden. Eine Ausnahme stellen ‚klassisch-erregbare‘ Pflanzen wie die Venusfliegenfalle oder die Mimose dar. In diesen Pflanzen führt ein Berührungsreiz zur Auslösung eines charakteristischen Aktionspotentials, welches in der Folge zu einer, auf differentiellen Turgoränderungen basierenden, nastischen Bewegung führt. In allen anderen Pflanzen ist die Kinetik der Membranpotentialänderungen sehr variabel, abhängig vom Stimulus und dem physiologischen Zustand der Zellen und – mit Ausnahme der Reaktion auf einen Kältestimulus – lediglich nach langen Latenzzeiten wiederholbar. Dieser Umstand verhindert eine systematische Analyse der molekularen Basis elektrischer Signale in den meisten Pflanzen. Ziel dieser Arbeit war es daher, auf der Basis des Channelrhodopsin-2 (ChR2) aus der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii, welches bereits seit 2005 in der Neurobiologie genutzt wird, ein nicht-invasives Werkzeug zur funktionellen Analyse elektrischer Signale in Pflanzen zu etablieren. ChR2 ist ein Blaulicht-aktivierter Kationenkanal, der für seine Funktion all trans-Retinal als Cofaktor benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Varianten des ChR2, mit einem Schwerpunkt auf ChR2-C128T und vor allem ChR2-D156C, auch bekannt als ChR2-XXL eingesetzt. ChR2 konnte bereits durch M. Baumann im Rahmen ihrer Dissertation funktionell im transienten Expressionssystem Nicotiana benthamiana dargestellt werden. In der vorliegenden Arbeit wurde das System weiter ausgebaut und die besonders aussichtsreichen ChR2-Varianten nicht nur in N. benthamiana, sondern auch in stabilen Arabidopsis thaliana Linien funktionell charakterisiert. Dabei konnte mit dem ChR2-XXL ein geeignetes optogenetisches Werkzeug zur Untersuchung elektrischer Signale in Pflanzen identifiziert werden. ChR2-XXL bietet die Möglichkeit das Membranpotential durch kurze, 5 s Blaulichtpulse im Mittel um 95 mV zu depolarisieren und im Anschluss die Repolarisationsphase zu untersuchen. Blaulicht-induzierbare, ChR2-XXL-vermittelte Depolarisationen konnten, reproduzierbar und beliebig oft an den gleichen Zellen wiederholt ausgelöst werden. Dadurch ermöglicht ChR2-XXL die bisher nur unzureichend bekannten molekularen Komponenten der Repolarisation des Membranpotentials in Pflanzen zu erforschen. In tierischen Zellen generieren spannungsabhängige Natriumkanäle die Depolarisation, während spannungsabhängige Kaliumkanäle die Depolarisationskinetik bestimmen. Die im Vergleich zu tierischen Zellen veränderten Ionengradienten lassen vermuten, dass die pflanzliche Depolarisation im Wesentlichen durch Ca2+-abhängige Anionenkanäle vermittelt wird, die durch den Efflux von Cl- das Membranpotential depolarisieren. Für die Repolarisation wird zum einen die Beteiligung von auswärtsgleichrichtenden Kaliumkanälen postuliert. Zum anderen wird auch eine Beteiligung der Plasmamembran (PM) H+-ATPasen vermutet, welche gleichzeitig einen essentiellen Beitrag zur Generierung des Ruhepotentials leisten. In der vorliegenden Arbeit wurde es durch den Einsatz von ChR2-XXL möglich, beide potentiellen Komponenten der Repolarisationsphase, Kaliumkanäle und PM H+-ATPasen, erstmals durch eine nicht-invasive, Anionen-unabhängige Methode der Depolarisation zu untersuchen. Durch den Einsatz von Mutanten und Kaliumkanalinhibitoren konnte ein möglicher Beitrag des auswärtsgleichrichtenden Kaliumkanals Arabidopsis thaliana GUARD CELL OUTWARD RECTIFYING K+ CHANNEL (AtGORK) an der Repolarisationsphase in Arabidopsis Mesophyllzellen nahezu ausgeschlossen werden. Der auswärtsgleichrichtende Kaliumkanal GORK öffnet erst bei Membranpotentialen positiv vom Gleichgewichtspotential für Kaliumionen (EK (-118 mV)). Da die ChR2-induzierbaren Depolarisationen ebenso wie viele natürliche Stimuli, diesen Wert kaum erreichen oder nur geringfügig überschreiten, leistet der GORK einen geringfügigen Beitrag bei der Repolarisation. Dies ließ vermuten, dass die Repolarisation von EK bis zum Ruhepotential bei ca. -180 mV dagegen möglicherweise durch die PM H+-ATPasen bewerkstelligt wird. Die Wirkung des PM H+-ATPase Inhibitors Natriumorthovanadat, sowie des PM H+-ATPase Aktivators Fusicoccin auf die Repolarisationsphase konnten diese Hypothese unterstützen. Die Hemmung der PM H+-ATPasen verlangsamte die Repolarisationskinetik während eine Aktivierung der PM H+-ATPasen diese beschleunigte. So wurde es erstmals möglich den genauen Einfluss der PM H+-ATPasen auf Wiederherstellung des Membranpotentials während der Repolarisation in Mesophyllzellen zu studieren. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass in Gegenwart des Kaliumkanalblockers Ba2+ die Repolarisation ebenfalls beschleunigt werden konnte. In Übereinstimmung mit dem ‚Pump-and-Leak‘-Modell (Alberts et al. 2002) deutet dies darauf hin, dass schwach einwärtsgleichrichtende Kaliumkanäle, wie der ARABIDOPSIS K+ TRANSPORTER 2 (AKT2) dem PM H+-ATPasen Protonengradienten entgegenwirken und somit das Ruhepotential aus der Summe der bewegten Ladungen von Pumpen und Kaliumkanälen bestimmt wird. Das mögliche Potenzial optogenetischer, Rhodopsin-basierter Werkzeuge für die molekulare Analyse elektrischer Signale, insbesondere unter Einsatz der breiten Palette lichtgesteuerter Pumpen und Kanäle, ihrer spektralen Diversität und ihrer Einkreuzung in ausgewählte Arabidopsis Mutanten wird diskutiert. / Like animals, plants have the ability to generate electrical signals – membrane potential changes on the plasma membrane. Electrical signals represent the earliest answers that can be observed in plant cells in the course of changing external and internal conditions. Stimuli such as cold, heat, wounding, herbivory and pathogens, as well as physiological processes such as growth and pollination, lead to changes in the potential of the plasma membrane of plant cells. Most of these membrane potential changes consist of rapid depolarization, followed by repolarization of the membrane potential, the kinetics of which can be highly variable depending on the stimulus. In contrast to animals, knowledge about the molecular basis of the generation and transmission of electrical signals in plants is poorly understood. Exceptions include "classically excitable plants" such as the Venus fly trap or mimosa, in which a touch stimulus leads to the triggering of a characteristic action potential, which subsequently leads to an elastic movement based on differential turgor changes. In all other plants, the kinetics of membrane potential changes are highly variable, depending on the stimulus and the physiological state of the cells and – with the exception of the reaction to a cold stimulus – can only be repeated after long latency periods. This prevents a systematic analysis of the molecular basis of electrical signals in most plants. The aim of this work was therefore to establish a non-invasive tool for the functional analysis of electrical signals in plants based on the channelrhodopsin-2 ChR2 from the green alga Chlamydomonas reinhardtii, which has been used in neurobiology since 2005. ChR2 is a blue light-activated cation channel that needed all-trans retinal as a cofactor in order to function. In this work, different variants of the ChR2, with a focus on C128T and especially D156C, also known as ChR2-XXL, were used. ChR2 could already be functionally represented by M. Baumann in the context of her dissertation in the transient expression system Nicotiana benthamiana. In the present work, the system was expanded and particularly promising ChR2 variants were characterized not only in N. benthamiana, but also in stable Arabidopsis thaliana lines. The ChR2-XXL identified a suitable optogenetic tool for examining electrical signals in plants. ChR2-XXL offers the possibility to depolarize the membrane potential by short, 5 s blue light pulses on average by 95 mV and then to investigate the repolarization phase. Blue light-inducible, ChR2-XXL-mediated depolarizations could be triggered reproducibly and repeatedly on the same cells as often as desired. ChR2-XXL enables research into the previously inadequate molecular components of the repolarization of the membrane potential in plants. In animal cells, voltage-dependent sodium channels generate depolarization, while voltage-dependent potassium channels determine the depolarization kinetics. The ion gradients changed compared to animal cells suggest that plant depolarization is essentially due to Ca2+-dependent anion channels, which depolarize the membrane potential through the efflux of Cl-. For repolarization, the involvement of outward rectifying potassium channels is postulated. On the other hand, participation of PM H+-ATPases is also suspected, which at the same time make an essential contribution to the generation of the resting potential. In the present work, the use of ChR2-XXL made it possible for the first time to investigate both potential components of the repolarization phase, potassium channels and PM H+-ATPases, using a non-invasive, anion-independent method of depolarization. Through the use of mutants and potassium channel inhibitors, a possible contribution of the outward rectifying potassium channel Arabidopsis thaliana GUARD CELL OUTWARD RECTIFYING K+ CHANNEL (GORK) to the repolarization phase in Arabidopsis mesophyll cells could almost be excluded. The outward-rectifying potassium channel GORK only opens at membrane potentials more positive than the equilibrium potential for potassium ions (EK (-118 mV)). Since the ChR2-inducible depolarizations, like many natural stimuli, hardly reach this value or only exceed it slightly, GORK makes a minor contribution to repolarization. This suggested that the repolarization from EK to the resting potential at approximately -180 mV, on the other hand, may be accomplished by PM H+-ATPases. The effects of the PM H+-ATPase inhibitor sodium orthovanadate and the PM H+-ATPase activator fusicoccin on the repolarization phase supported this hypothesis. The repolarization kinetics were slowed by inhibition of the PM H+-ATPases and accelerated by their activation. This made it possible for the first time to study the exact influence of the PM H+-ATPases on restoring the membrane potential during repolarization in mesophyll cells. It was also observed that repolarization could be accelerated in the presence of the potassium channel blocker Ba2+. In accordance with the 'pump-and-leak' model, this indicates that weakly inwardly-rectifying potassium channels, such as the Arabidopsis K+ Transporter 2 (AKT2) counteract the PM H+-ATPase-generated proton gradient and thus the resting potential from the sum of the moving charges of pumps and potassium channels is determined. The potential of optogenetic, rhodopsin-based tools for the molecular analysis of electrical signals, in particular using the wide range of light-controlled pumps and channels, their spectral diversity and their intersection with selected Arabidopsis mutants is discussed.

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The elucidation of the composition and organization of genomes of higher plants is a fundamental problem of modern molecular biology. The genus Beta containing 14 species assigned to the sections Beta, Corollinae, Nanae and Procumbentes provides a suitable system for the comparative study of the nuclear genomes. Sugar beet Beta vulgaris has a genome size of 758 Mbp DNA with estimated 63 % repetitive sequences and the number of chromosomes n=9. The wild beet Beta procumbens is an important natural pool of resistance against pests and tolerance to unfavorable growth conditions. The subject of this research was the isolation and description of new repetitive DNA families from genomes of this Beta species. This work presents the molecular investigation and cytogenetic characterization by high-resolution multicolor fluorescent in situ hybridization (FISH) of the satellite and dispersed repetitive sequences in wild and cultivated beet species and in their hybrids. New repetitive sequences were isolated from the B. procumbens genome. The AluI restriction satellite repeats pAp11 are 229-246 bp long and form subfamilies. The satellite is amplified in the section Procumbentes, but also found in distantly related section Beta. Thus, pAp11 is probably an ancient component of Beta genomes. It could be the ancestor of the satellite subfamily pEV4 in B. vulgaris based on sequence analysis, Southern hybridization and comparative FISH. pAp11 was found at centromeric and a few intercalary sites in B. procumbens and formed intercalary blocks on B. vulgaris chromosomes where it co-localized with pEV4. These remarkable differences in the chromosomal position of pAp11 between Procumbentes and Beta species indicate that both satellites were likely involved in the expansion or rearrangement of the intercalary heterochromatin of B. vulgaris. Other two sequence families characterized on molecular, genomic and chromosomal levels are the non-homologous repeats pAp4 and pAp22, 1354 and 582 bp long. They have a dispersed organization in the genome and are widely scattered along B. procumbens chromosomes. pAp4 and pAp22 are specific for the section Procumbentes and can be used as DNA probes to discriminate parental genomes in interspecific hybrids. High-resolution FISH on meiotic chromosomes showed that the both sequences mostly co-localize. The PCR analysis of their flanking regions revealed that pAp22 is a part of a Long Terminal Repeat (LTR) of an Athila-like env-class retrotransposon. This is the first indication that the retrovirus-like DNA elements exist in Beta. An ancient family of subtelomeric satellite DNA pAv34 was isolated from all four sections of the genus Beta and from spinach, a related Chenopodiaceae. Five clones were analyzed from each of the five species. The genomic organization and species distribution of the satellites were studied by sequencing and Southern hybridization. The repeating units in all families are 344-362 bp long and share 46.2-98.8 % similarity. Each monomer consists of two subunits SU1 and SU2 of 165-184 bp. The maximum likelihood and neighbor joining analyses of the 25 subtelomeric satellite monomers and their subunits indicated, that the duplication leading to the emergence of the 360 bp satellite should have occurred early in the phylogeny. The two directions of diversification are the clustering of satellites in two groups of subunits SU1 and SU2 and the arrangement of satellite repeats in section-specific groups. The comparative chromosomal localization of the telomeric repeat, pAv34 and rDNA was investigated by multicolor FISH. B. vulgaris chromosome termini showed unique physical organization of telomeric repeat and the subtelomeric satellite, as studied by high-resolution FISH on extended DNA fibers. The estimated length of the telomeric array was 0.55 - 62.65 kb, the length of pAv34 was 5.0-125.25 kb, the spacer between these sequences spanned 1.0-16.60 kb. Eight various classes of repeats were used to characterize the minichromosomes of the sugar beet fragment addition lines PRO1 and PAT2 by comparative multi-color FISH. The study allowed to propose a schematic pattern of repetitive DNA organization on the PRO1 and PAT2 minichromosomes. PRO1 has an acrocentric minichromosome, while PAT2 possesses a metacentric or submetacentric chromosome fragment. The functional integrity of the fragment addition line centromeres was confirmed by an immunostaining localization of the proteins specific to the active kinetochore. The serine 10-phosphorylated histone H3 was detected in pericentromeric regions of the PRO1 chromosomes. The microtubuli attachment sites were visualized as parts of kinetochore complexes.

The elucidation of the composition and organization of genomes of higher plants is a fundamental problem of modern molecular biology. The genus Beta containing 14 species assigned to the sections Beta, Corollinae, Nanae and Procumbentes provides a suitable system for the comparative study of the nuclear genomes. Sugar beet Beta vulgaris has a genome size of 758 Mbp DNA with estimated 63 % repetitive sequences and the number of chromosomes n=9. The wild beet Beta procumbens is an important natural pool of resistance against pests and tolerance to unfavorable growth conditions. The subject of this research was the isolation and description of new repetitive DNA families from genomes of this Beta species. This work presents the molecular investigation and cytogenetic characterization by high-resolution multicolor fluorescent in situ hybridization (FISH) of the satellite and dispersed repetitive sequences in wild and cultivated beet species and in their hybrids. New repetitive sequences were isolated from the B. procumbens genome. The AluI restriction satellite repeats pAp11 are 229-246 bp long and form subfamilies. The satellite is amplified in the section Procumbentes, but also found in distantly related section Beta. Thus, pAp11 is probably an ancient component of Beta genomes. It could be the ancestor of the satellite subfamily pEV4 in B. vulgaris based on sequence analysis, Southern hybridization and comparative FISH. pAp11 was found at centromeric and a few intercalary sites in B. procumbens and formed intercalary blocks on B. vulgaris chromosomes where it co-localized with pEV4. These remarkable differences in the chromosomal position of pAp11 between Procumbentes and Beta species indicate that both satellites were likely involved in the expansion or rearrangement of the intercalary heterochromatin of B. vulgaris. Other two sequence families characterized on molecular, genomic and chromosomal levels are the non-homologous repeats pAp4 and pAp22, 1354 and 582 bp long. They have a dispersed organization in the genome and are widely scattered along B. procumbens chromosomes. pAp4 and pAp22 are specific for the section Procumbentes and can be used as DNA probes to discriminate parental genomes in interspecific hybrids. High-resolution FISH on meiotic chromosomes showed that the both sequences mostly co-localize. The PCR analysis of their flanking regions revealed that pAp22 is a part of a Long Terminal Repeat (LTR) of an Athila-like env-class retrotransposon. This is the first indication that the retrovirus-like DNA elements exist in Beta. An ancient family of subtelomeric satellite DNA pAv34 was isolated from all four sections of the genus Beta and from spinach, a related Chenopodiaceae. Five clones were analyzed from each of the five species. The genomic organization and species distribution of the satellites were studied by sequencing and Southern hybridization. The repeating units in all families are 344-362 bp long and share 46.2-98.8 % similarity. Each monomer consists of two subunits SU1 and SU2 of 165-184 bp. The maximum likelihood and neighbor joining analyses of the 25 subtelomeric satellite monomers and their subunits indicated, that the duplication leading to the emergence of the 360 bp satellite should have occurred early in the phylogeny. The two directions of diversification are the clustering of satellites in two groups of subunits SU1 and SU2 and the arrangement of satellite repeats in section-specific groups. The comparative chromosomal localization of the telomeric repeat, pAv34 and rDNA was investigated by multicolor FISH. B. vulgaris chromosome termini showed unique physical organization of telomeric repeat and the subtelomeric satellite, as studied by high-resolution FISH on extended DNA fibers. The estimated length of the telomeric array was 0.55 - 62.65 kb, the length of pAv34 was 5.0-125.25 kb, the spacer between these sequences spanned 1.0-16.60 kb. Eight various classes of repeats were used to characterize the minichromosomes of the sugar beet fragment addition lines PRO1 and PAT2 by comparative multi-color FISH. The study allowed to propose a schematic pattern of repetitive DNA organization on the PRO1 and PAT2 minichromosomes. PRO1 has an acrocentric minichromosome, while PAT2 possesses a metacentric or submetacentric chromosome fragment. The functional integrity of the fragment addition line centromeres was confirmed by an immunostaining localization of the proteins specific to the active kinetochore. The serine 10-phosphorylated histone H3 was detected in pericentromeric regions of the PRO1 chromosomes. The microtubuli attachment sites were visualized as parts of kinetochore complexes.

The biological control of plant pests with beneficial microbes has become increasingly important over the last decades. Soil microbes such as fungi and bacteria colonise the roots of plants and promote their growth. Some beneficial microbes can trigger a weak plant defence response that enhances the immune response of the plant at subsequent pathogen attacks and therefore increase the resistance of the plant to other invaders. This mechanism is called “priming”. While biocontrol agents are applied against a variety of plant pests fundamental knowledge of the molecular mechanisms of plant-microbe interactions is still lacking. Especially molecular studies on the role of resistance genes in the interaction of plants with beneficial endophytic fungi are rare. In this study it was investigated how the fungal biocontrol agent Acremonium alternatum affects the development of the clubroot pathogen Plasmodiophora brassicae within the plant host Arabidopsis thaliana. Clubroot is a devastating disease in crop plants such as cabbage and rapeseed and causes abnormal root growth that leads to so called “club roots”. P. brassicae develops within the plant roots and forms resting spores that are very durable and stay infective in soils for up to 2 decades. The control of clubroot by chemical means is difficult and the disease continues to spread on all continents and was also found in Saxony, Germany in recent years. In 2 preliminary studies the co-inoculation of clubroot plants with the fungus A. alternatum resulted in reduced clubroot symptoms in Chinese cabbage and Arabidopsis. It was therefore hypothesised that A. alternatum induces resistance mechanisms in the plant and thus enhances immunity. The focus of this study was to test this hypothesis by carrying out expression analyses on root tissue of infected Arabidopsis plants. For this the plants were inoculated with spores of P. brassicae and A. alternatum before RNA was extracted from the roots, followed by cDNA synthesis and quantitative Reverse Transcriptase Polymerase Chain Reaction (RT-qPCR). A microarray of root tissue of infected Arabidopsis plants was carried out to depict the events at the stage of initial root hair infection with the clubroot pathogen. The findings from the gene expression analyses were verified for 2 genes with Arabidopsis mutants that are defective in the respective gene and with 2 overexpressor lines. Clubroot symptoms were assessed by rating the root galls according to their stage of development. The overall plant health was further evaluated by recording the developmental stage of the plants (generative vs. vegetative), stem lengths and plant biomass. In addition, 2 local varieties of the economically important crop plant rapeseed (Brassica napus var. Ability and var. Visby) were investigated with qRT-PCR and by recording the disease parameters just described. A second goal of this study was to assess the general biocontrol potential of the yet relatively unknown endophyte A. alternatum in terms of enzymatic activity and competitive behaviour against other phytopathogenic fungi. The potential of this fungus for the use in integrative pest management was investigated. The results presented here are novel findings for this fungus and have not been studied before. The microarray from Arabidopsis roots revealed that the clubroot pathogen P. brassicae suppresses its recognition by pathogen receptors of the plant and thus prevents the host to induce resistance mechanisms. The fungus A. alternatum boosted the level of the pathogen recognition-related genes BAK1 and FLS2 and thus helped to establish early plant defence responses. PCR analyses confirmed that these early responses led to salicylic acid-dependent resistance in the plants which was maintained for several days as shown by elevated levels of the PATHOGENESIS-RELATED gene PR1. Marker genes for an alternative resistance pathway that is mediated over the plant signals jasmonate and ethylene were not activated in Arabidopsis. The co-inoculation of Arabidopsis plants with the endophyte A. alternatum resulted in a significant reduction of clubroot symptoms by up to 24%. In rapeseed the reduction of disease symptoms was 19% and 28% when the plants were treated with a crude cell wall extract of A. alternatum before inoculation with the clubroot pathogen. PCR analyses from Arabidopsis showed a strong response of pathogen recognition genes to the cell wall extract and spores of the endophytic fungus. In rapeseed all of the investigated pathogen recognition genes were upregulated after the endophyte treatment but not with the clubroot pathogen. Together with the PCR results from the microarray these findings suggest that A. alternatum primes its host plant and enhances the resistance of the plant towards P. brassicae. In addition, the fungus increased biomass, stem lengths and survival rates of clubroot-infected plants. In vitro tests revealed that the endophyte can solubilise phosphate and is not very competitive against other phytopathogenic fungi such as Aspergillus or Fusarium which is likely an effect of the relatively slow growth of the endophyte on agar plates. From this study it can be concluded that i) the fungus Acremonium alternatum induces resistance mechanisms in Arabidopsis and 2 Brassica napus cultivars and facilitates the recognition of the clubroot pathogen Plasmodiophora brassicae; ii) that Arabidopsis and Brassica react differently to this beneficial microbe, a fact that has been observed for Plasmodiophora and other microorganisms as well; iii) living spores are not necessary for clubroot biocontrol in rapeseed as a crude cell wall extract reduces symptoms more efficiently. Overall the endophyte A. alternatum is a very promising candidate for the use in integrative pest management in plant strengtheners or as biocontrol agent. / Die biologische Kontrolle von Pflanzenkrankheiten gewinnt zunehmend an Bedeutung. Bodenbewohnende Mikroben wie Pilze oder Bakterien kolonisieren die Wurzeln von Pflanzen und fördern deren Wachstum. Einige dieser förderlichen Mikroben aktivieren eine schwache Abwehrreaktion in der Pflanze die sich verstärkt bei einer weiteren Infektion mit einem Krankheitserreger. Dieser Mechanismus, den man “Priming” nennt, führt zu einer verbesserten Resistenz der Pflanze gegenüber Pflanzenpathogenen. Obwohl natürliche Schädlingsbekämpfer bereits gegen eine Vielzahl an Krankheiten eingesetzt werden, weiss man über grundsätzliche molekulare Mechanismen dieser Pflanzen-Mikroben-Interaktionen nur wenig. Besonders die Rolle von Resistenzgenen ist bisher wenig erforscht, welche bei der Beziehung zwischen Pilzen und Pflanzen eine Rolle spielen. In der hier vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie der endophytische Pilz Acremonium alternatum die Entwicklung des Krankheitserregers Plasmodiophora brassicae in der Pflanze Arabidopsis thaliana beeinflusst. Die Kohlhernie, ausgelöst von P. brassicae, ist eine verheerende Krankheit die u. a. bei Kohl und Raps auftritt und Wurzelgallen, so genannte “Hernien”, hervorruft. Der Krankheitserreger entwickelt sich im Wurzelsystem der Pflanze und bildet Dauersporen, die bis zu 20 Jahre lang im Boden infektiös überdauern können. Ein Eindämmen der Krankheit mit Pflanzenschutzmitteln ist durch den komplexen Lebenslauf des Erregers sehr schwierig, das führte zu einer weltweiten Verbreitung der Kohlhernie. Auch in Sachsen wurden in den letzten Jahren Fälle von Kohlhernie gemeldet. Wie 2 Studien zeigen, führt die Ko-Inokulation von Kohlhernie-erkrankten Pflanzen mit A. alternatum zu einer Verringerung der Symptome in Chinakohl und Arabidopsis. Es wurde daher die Hypothese aufgestellt, dass der Pilz Resistenzmechanismen in der Pflanze anschaltet und damit ihre Immunität erhöht. Um diese Hypothese zu testen, wurden in der hier vorliegenden Studie Genexpressionsanalysen an infizierten Arabidopsiswurzeln durchgeführt. Dafür wurden die Pflanzen zunächst mit Sporen des Kohlhernieerregers und des Pilzes inokuliert, es wurde RNA aus den Wurzeln extrahiert, in cDNA umgeschrieben und diese mittels quantitativer Reverse-Transkriptase-Polymerasenkettenreaktion (RT-qPCR) untersucht. Ein Microarray von Wurzeln infizierter Pflanzen wurde durchgeführt um die Ereignisse abzubilden, die sich zeitnah nach der Infektion in den Wurzeln abspielen. Die Ergebnisse der Genexpressionsanalysen wurden dann an Arabidopsismutanten, die einen Gendefekt im jeweiligen Gen haben, und an Überexprimierer-Pflanzen verifiziert. Kohlherniesymptome an Pflanzen wurden durch eine Kategorisierung der Schadsymptome erfasst. Die allgemeine Pflanzengesundheit sowie der Entwicklungsstand der Pflanze, Stengellängen und das Frischgewicht wurden bestimmt. Zusätzlich wurden 2 Rapssorten, die in Sachsen angebaut werden, untersucht im Hinblick auf die Krankheitsenwicklung und die Reguation von Abwehrgenen. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es das Biokontrollpotential des bisher schlecht untersuchten Pilzes A. alternatum zu bestimmen. Dazu wurde in vitro die Enzymaktivität des Pilzes getestet sowie seine Konkurrenzfähigkeit gegenüber anderen pflanzenpathogenen Pilzen. Das Potential des Pilzes für die Anwendung im integrierten Pflanzenschutz wurde getestet. Die hier präsentieren Ergebnisse stellen neue Erkenntnisse dar, die für diesen Pilz noch nie untersucht wurden. Der Microarray von Arabidopsiswurzeln zeigte, dass der Kohlhernieerregers die Erkennung durch die Pflanze verhindert und damit Abwehrmechanismen verhindert. Der Pilz A. alternatum förderte die Aktivität der pflanzlichen Erkennungsrezeptoren FLS2 und BAK1 und setzte damit die Erkennung von P. brassicae in Gang. PCR-Analysen ergaben, dass diese früh induzierten Abwehrmechanismen zu einer systemischen Resistenz in der Pflanze führte durch die Aktivierung des Pathogenese-relevanten Gens PR1. Genmarker, die die Aktivität eines alternativen, von Jasmonat und Ethylen vermittelten Abwehrweges anzeigen, waren nicht ativiert. Die Ko-Inokulation von Arabidopsis mit dem Endophyten führte zu einer signifikanten Reduktion der Krankheitssymptome um 24%. In Raps betrug die Reduktion 19% und 24% wenn die Pflanzen vor der Kohlhernie-Infektion mit einem Zellwandextrakt des Pilzes behandelt wurden. Mittels PCR konnte gezeigt werden, dass Gene für das Erkennen von Pathogenen in der Wurzel von Arabidopsis auf den Zellwandextrakt und Sporen des Pilzes reagieren. In Raps wurden alle der untersuchten Erkennungsgene aufreguliert nach der Infektion mit A. alternatum, nicht jedoch bei der Infektion mit P. brassicae. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der endophytische Pilz A. alternatum die Wirtspflanze auf eine folgende Infektion vorbereitet (Priming) und systemische Abwehr-mechanismen in der Pflanze induziert, wenn diese mit Kohlhernie infiziert ist. Außerdem treibt der Pilz das Sprosswachstum voran, erhöht die Biomasse und fördert das Überleben von Kohlhernie-infizierten Pflanzen. In vitro-Tests ergaben, dass der Endophyt Kalziumphosphat löslich machen kann und wenig kompetitiv gegenüber Pflanzenpathogenen wie Aspergillus oder Fusarium ist. Dies ist vermutlich mit dem langsameren Wachstum des Endophyten im Gegensatz zu den anderen Pilzen zu erklären. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit lassen sich folgende Schlüsse ziehen: i) der endophytische Pilz Acremonium alternatum induziert Resistenzmechanismen in Arabidopsis und Raps und und fördert die Erkennung des Kohlhernieerregers Plasmodiophora brassicae; ii) Arabidopsis und Raps reagieren unterschiedlich auf diesen förderlichen Pilz, ein solcher Unterschied wurde bereits für Plasmodiophora und andere Mikroben beschrieben; iii) lebende Sporen des Pilzes sind nicht notwendig um Krankheitssymptome der Kohlhernie in Raps zu verringern, ein Zellwandextrakt von A. alternatum ist dafür besser geeignet. Ganz allgemein lässt sich sagen, dass der endophytische Pilz Acremonium alternatum ein sehr vielversprechender Kandidat ist für den Einsatz im integrierten Pflanzenschutz in Pflanzenstärkungsmitteln oder als Biokontrollorganismus.

The biological control of plant pests with beneficial microbes has become increasingly important over the last decades. Soil microbes such as fungi and bacteria colonise the roots of plants and promote their growth. Some beneficial microbes can trigger a weak plant defence response that enhances the immune response of the plant at subsequent pathogen attacks and therefore increase the resistance of the plant to other invaders. This mechanism is called “priming”. While biocontrol agents are applied against a variety of plant pests fundamental knowledge of the molecular mechanisms of plant-microbe interactions is still lacking. Especially molecular studies on the role of resistance genes in the interaction of plants with beneficial endophytic fungi are rare. In this study it was investigated how the fungal biocontrol agent Acremonium alternatum affects the development of the clubroot pathogen Plasmodiophora brassicae within the plant host Arabidopsis thaliana. Clubroot is a devastating disease in crop plants such as cabbage and rapeseed and causes abnormal root growth that leads to so called “club roots”. P. brassicae develops within the plant roots and forms resting spores that are very durable and stay infective in soils for up to 2 decades. The control of clubroot by chemical means is difficult and the disease continues to spread on all continents and was also found in Saxony, Germany in recent years. In 2 preliminary studies the co-inoculation of clubroot plants with the fungus A. alternatum resulted in reduced clubroot symptoms in Chinese cabbage and Arabidopsis. It was therefore hypothesised that A. alternatum induces resistance mechanisms in the plant and thus enhances immunity. The focus of this study was to test this hypothesis by carrying out expression analyses on root tissue of infected Arabidopsis plants. For this the plants were inoculated with spores of P. brassicae and A. alternatum before RNA was extracted from the roots, followed by cDNA synthesis and quantitative Reverse Transcriptase Polymerase Chain Reaction (RT-qPCR). A microarray of root tissue of infected Arabidopsis plants was carried out to depict the events at the stage of initial root hair infection with the clubroot pathogen. The findings from the gene expression analyses were verified for 2 genes with Arabidopsis mutants that are defective in the respective gene and with 2 overexpressor lines. Clubroot symptoms were assessed by rating the root galls according to their stage of development. The overall plant health was further evaluated by recording the developmental stage of the plants (generative vs. vegetative), stem lengths and plant biomass. In addition, 2 local varieties of the economically important crop plant rapeseed (Brassica napus var. Ability and var. Visby) were investigated with qRT-PCR and by recording the disease parameters just described. A second goal of this study was to assess the general biocontrol potential of the yet relatively unknown endophyte A. alternatum in terms of enzymatic activity and competitive behaviour against other phytopathogenic fungi. The potential of this fungus for the use in integrative pest management was investigated. The results presented here are novel findings for this fungus and have not been studied before. The microarray from Arabidopsis roots revealed that the clubroot pathogen P. brassicae suppresses its recognition by pathogen receptors of the plant and thus prevents the host to induce resistance mechanisms. The fungus A. alternatum boosted the level of the pathogen recognition-related genes BAK1 and FLS2 and thus helped to establish early plant defence responses. PCR analyses confirmed that these early responses led to salicylic acid-dependent resistance in the plants which was maintained for several days as shown by elevated levels of the PATHOGENESIS-RELATED gene PR1. Marker genes for an alternative resistance pathway that is mediated over the plant signals jasmonate and ethylene were not activated in Arabidopsis. The co-inoculation of Arabidopsis plants with the endophyte A. alternatum resulted in a significant reduction of clubroot symptoms by up to 24%. In rapeseed the reduction of disease symptoms was 19% and 28% when the plants were treated with a crude cell wall extract of A. alternatum before inoculation with the clubroot pathogen. PCR analyses from Arabidopsis showed a strong response of pathogen recognition genes to the cell wall extract and spores of the endophytic fungus. In rapeseed all of the investigated pathogen recognition genes were upregulated after the endophyte treatment but not with the clubroot pathogen. Together with the PCR results from the microarray these findings suggest that A. alternatum primes its host plant and enhances the resistance of the plant towards P. brassicae. In addition, the fungus increased biomass, stem lengths and survival rates of clubroot-infected plants. In vitro tests revealed that the endophyte can solubilise phosphate and is not very competitive against other phytopathogenic fungi such as Aspergillus or Fusarium which is likely an effect of the relatively slow growth of the endophyte on agar plates. From this study it can be concluded that i) the fungus Acremonium alternatum induces resistance mechanisms in Arabidopsis and 2 Brassica napus cultivars and facilitates the recognition of the clubroot pathogen Plasmodiophora brassicae; ii) that Arabidopsis and Brassica react differently to this beneficial microbe, a fact that has been observed for Plasmodiophora and other microorganisms as well; iii) living spores are not necessary for clubroot biocontrol in rapeseed as a crude cell wall extract reduces symptoms more efficiently. Overall the endophyte A. alternatum is a very promising candidate for the use in integrative pest management in plant strengtheners or as biocontrol agent. / Die biologische Kontrolle von Pflanzenkrankheiten gewinnt zunehmend an Bedeutung. Bodenbewohnende Mikroben wie Pilze oder Bakterien kolonisieren die Wurzeln von Pflanzen und fördern deren Wachstum. Einige dieser förderlichen Mikroben aktivieren eine schwache Abwehrreaktion in der Pflanze die sich verstärkt bei einer weiteren Infektion mit einem Krankheitserreger. Dieser Mechanismus, den man “Priming” nennt, führt zu einer verbesserten Resistenz der Pflanze gegenüber Pflanzenpathogenen. Obwohl natürliche Schädlingsbekämpfer bereits gegen eine Vielzahl an Krankheiten eingesetzt werden, weiss man über grundsätzliche molekulare Mechanismen dieser Pflanzen-Mikroben-Interaktionen nur wenig. Besonders die Rolle von Resistenzgenen ist bisher wenig erforscht, welche bei der Beziehung zwischen Pilzen und Pflanzen eine Rolle spielen. In der hier vorliegenden Arbeit wurde untersucht, wie der endophytische Pilz Acremonium alternatum die Entwicklung des Krankheitserregers Plasmodiophora brassicae in der Pflanze Arabidopsis thaliana beeinflusst. Die Kohlhernie, ausgelöst von P. brassicae, ist eine verheerende Krankheit die u. a. bei Kohl und Raps auftritt und Wurzelgallen, so genannte “Hernien”, hervorruft. Der Krankheitserreger entwickelt sich im Wurzelsystem der Pflanze und bildet Dauersporen, die bis zu 20 Jahre lang im Boden infektiös überdauern können. Ein Eindämmen der Krankheit mit Pflanzenschutzmitteln ist durch den komplexen Lebenslauf des Erregers sehr schwierig, das führte zu einer weltweiten Verbreitung der Kohlhernie. Auch in Sachsen wurden in den letzten Jahren Fälle von Kohlhernie gemeldet. Wie 2 Studien zeigen, führt die Ko-Inokulation von Kohlhernie-erkrankten Pflanzen mit A. alternatum zu einer Verringerung der Symptome in Chinakohl und Arabidopsis. Es wurde daher die Hypothese aufgestellt, dass der Pilz Resistenzmechanismen in der Pflanze anschaltet und damit ihre Immunität erhöht. Um diese Hypothese zu testen, wurden in der hier vorliegenden Studie Genexpressionsanalysen an infizierten Arabidopsiswurzeln durchgeführt. Dafür wurden die Pflanzen zunächst mit Sporen des Kohlhernieerregers und des Pilzes inokuliert, es wurde RNA aus den Wurzeln extrahiert, in cDNA umgeschrieben und diese mittels quantitativer Reverse-Transkriptase-Polymerasenkettenreaktion (RT-qPCR) untersucht. Ein Microarray von Wurzeln infizierter Pflanzen wurde durchgeführt um die Ereignisse abzubilden, die sich zeitnah nach der Infektion in den Wurzeln abspielen. Die Ergebnisse der Genexpressionsanalysen wurden dann an Arabidopsismutanten, die einen Gendefekt im jeweiligen Gen haben, und an Überexprimierer-Pflanzen verifiziert. Kohlherniesymptome an Pflanzen wurden durch eine Kategorisierung der Schadsymptome erfasst. Die allgemeine Pflanzengesundheit sowie der Entwicklungsstand der Pflanze, Stengellängen und das Frischgewicht wurden bestimmt. Zusätzlich wurden 2 Rapssorten, die in Sachsen angebaut werden, untersucht im Hinblick auf die Krankheitsenwicklung und die Reguation von Abwehrgenen. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es das Biokontrollpotential des bisher schlecht untersuchten Pilzes A. alternatum zu bestimmen. Dazu wurde in vitro die Enzymaktivität des Pilzes getestet sowie seine Konkurrenzfähigkeit gegenüber anderen pflanzenpathogenen Pilzen. Das Potential des Pilzes für die Anwendung im integrierten Pflanzenschutz wurde getestet. Die hier präsentieren Ergebnisse stellen neue Erkenntnisse dar, die für diesen Pilz noch nie untersucht wurden. Der Microarray von Arabidopsiswurzeln zeigte, dass der Kohlhernieerregers die Erkennung durch die Pflanze verhindert und damit Abwehrmechanismen verhindert. Der Pilz A. alternatum förderte die Aktivität der pflanzlichen Erkennungsrezeptoren FLS2 und BAK1 und setzte damit die Erkennung von P. brassicae in Gang. PCR-Analysen ergaben, dass diese früh induzierten Abwehrmechanismen zu einer systemischen Resistenz in der Pflanze führte durch die Aktivierung des Pathogenese-relevanten Gens PR1. Genmarker, die die Aktivität eines alternativen, von Jasmonat und Ethylen vermittelten Abwehrweges anzeigen, waren nicht ativiert. Die Ko-Inokulation von Arabidopsis mit dem Endophyten führte zu einer signifikanten Reduktion der Krankheitssymptome um 24%. In Raps betrug die Reduktion 19% und 24% wenn die Pflanzen vor der Kohlhernie-Infektion mit einem Zellwandextrakt des Pilzes behandelt wurden. Mittels PCR konnte gezeigt werden, dass Gene für das Erkennen von Pathogenen in der Wurzel von Arabidopsis auf den Zellwandextrakt und Sporen des Pilzes reagieren. In Raps wurden alle der untersuchten Erkennungsgene aufreguliert nach der Infektion mit A. alternatum, nicht jedoch bei der Infektion mit P. brassicae. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der endophytische Pilz A. alternatum die Wirtspflanze auf eine folgende Infektion vorbereitet (Priming) und systemische Abwehr-mechanismen in der Pflanze induziert, wenn diese mit Kohlhernie infiziert ist. Außerdem treibt der Pilz das Sprosswachstum voran, erhöht die Biomasse und fördert das Überleben von Kohlhernie-infizierten Pflanzen. In vitro-Tests ergaben, dass der Endophyt Kalziumphosphat löslich machen kann und wenig kompetitiv gegenüber Pflanzenpathogenen wie Aspergillus oder Fusarium ist. Dies ist vermutlich mit dem langsameren Wachstum des Endophyten im Gegensatz zu den anderen Pilzen zu erklären. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit lassen sich folgende Schlüsse ziehen: i) der endophytische Pilz Acremonium alternatum induziert Resistenzmechanismen in Arabidopsis und Raps und und fördert die Erkennung des Kohlhernieerregers Plasmodiophora brassicae; ii) Arabidopsis und Raps reagieren unterschiedlich auf diesen förderlichen Pilz, ein solcher Unterschied wurde bereits für Plasmodiophora und andere Mikroben beschrieben; iii) lebende Sporen des Pilzes sind nicht notwendig um Krankheitssymptome der Kohlhernie in Raps zu verringern, ein Zellwandextrakt von A. alternatum ist dafür besser geeignet. Ganz allgemein lässt sich sagen, dass der endophytische Pilz Acremonium alternatum ein sehr vielversprechender Kandidat ist für den Einsatz im integrierten Pflanzenschutz in Pflanzenstärkungsmitteln oder als Biokontrollorganismus.

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