Plants are constantly attacked by pathogenic microbes. As a result, they have evolved a plethora of constitutive and inducible defense responses to defend against attempted pathogen infection. Although volatile organic compounds have been implicated in plant defense, direct evidence of their function in plant resistance is still lacking. I have examined the role of VOCs in Arabidopsis defense against the hemibiotrophic bacterial pathogen Pseudomonas syringae pv. maculicola. The obtained results show that the vegetative parts of Arabidopsis produces and emits the volatile phenylpropanoid MeSA and three kinds of terpenoids, (E,E)-4,8,12-trimethyltrideca-1,3,7,11-tetraene (TMTT), alpha-ionon and beta-farnesen, upon avirulent and virulent P. syringae inoculation. Whereas the most abundant volatiles, MeSA and TMTT, are already produced at early stages of infection in the compatible and incompatible interaction, enhanced emission of alpha-ionon and beta-farnesen can only be detected in later stages of the compatible interaction. It was revealed that pathogen-induced synthesis of TMTT in Arabidopsis requires the JA signaling pathway but occurs independently of SA defense signaling. Similarly, the production of MeSA is dependent on JA signaling but not on the SA defense signaling pathway. Furthermore, production of MeSA is dependent on the function of ISOCHORISMATE SYNTHASE1, which produces its precursor SA. Upon inoculation with avirulent P. syringae, endogenously produced JA activates the JA signalling pathway to mediate MeSA and TMTT synthesis. By contrast, in the compatible Arabidopsis-Psm interaction, production of MeSA predominantly depends on the P. syringea the virulence factor coronatine, which activates JA downstream signaling. To learn more about the role of inducible VOCs in plant defense responses, I have identified an Arabidopsis T-DNA insertions line with a defect in the TERPENE SYNTHASE4 (TPS4) gene. Emission profiles from this mutant revealed that the induced production of TMTT but not of alpha-ionone, beta-farnesene or MeSA are abolished, demonstrating that TPS4 specifically regulates the P. syringae-induced synthesis of TMTT in Arabidopsis. The lack of TMTT in tps4 mutants, however, does not affect plant defense responses and resistance induction against P. syringae. This excludes a role of the terpenoid as an effective phytoalexin in Arabidopsis leaves against the bacterial pathogen. Moreover, tps4 mutant plants are still able to mount a SAR response, excluding a signaling function of TMTT during SAR. An important aim of our studies was to address the defensive role of MeSA, the major VOC emitted from P. syringae-inoculated Arabidopsis leaves. MeSA has been recently proposed as a critical long distance signal in the development of SAR. I found that two independent T-DNA insertions lines with defects in expression of the pathogen-inducible SA methyl transferase gene BSMT1 are completely devoid of pathogen-induced production of MeSA. However, bsmt1 mutant plants are capable to increase the level of SA in systemic, non-infected leaves of Arabodopsis and develop SAR like wild-type plants upon local P. syringae-inoculation. Thus, MeSA does not function as a critical SAR signal in Arabidopsis. Further experiments showed that SA accumulation in distant leaves occurs due to de novo synthesis through isochorismate synthase. In addition, we also ruled out a critical defensive role of MeSA at inoculation sites, because bsmt1 mutants are able to build up SA-dependent defense responses and local resistance in a wild-type-like manner. The conversion of SA to MeSA and subsequently emission of MeSA from the plant might help the plant to detoxify an excess of SA. This process is regulated by the JA pathway and might be one means to mediate negative crosstalk between JA and SA signaling. Moreover, the COR-triggered conversion of SA to MeSA and emission of the volatile methyl ester could be a way by which virulent P. syringae is able to attenuate the SA-defense pathway. / Pflanzen sind einer ständigen Bedrohung durch phytopathogene Mikroorganismen ausgesetzt und haben deshalb eine Vielzahl von konstitutiven und induzierbaren Abwehrstrategien entwickelt. Die Phytohormone Salicylsäure (SA), Jasmonsäure (JA) und Ethylen sind zum Beispiel entscheidende Regulatoren von induzierten Abwehrmechanismen. Eine Antwort der Pflanze auf mikrobielle Angriffe beinhaltet auch die Emission volatiler organischer Verbindungen (volatile organic compounds - VOCs). Antimikrobielle Wirkungen von VOCs wurden bisher jedoch nur in in-vitro-Assay beobachtet. Ein direkter Beweis für eine mögliche Rolle der VOCs in der Pflanzenabwehr wurde bisher nicht erbracht. Die Rolle pflanzlicher VOCs und deren Bedeutung für die Pathogenabwehr im Modellsystems Arabidopsis thaliana – Pseudomonas syringae ist das zentrale Element dieser Arbeit. Zunächst wurden Terpenoide, die die größte Gruppe der VOCs bilden, untersucht. Vegetative Teile von Arabidopsis emittieren nach Inokulation mit virulenten und avirulenten Stämmen von P. syringae pv. maculicola (Psm) vor allem drei Terpene: das Homoterpen (E,E)-4,8,12-Trimethyl-1,3,7,11-tridecatetraen (TMTT), alpha-Ionon und beta-Farnesen, welches zur Gruppe der Sesquiterpene gehört. Als Hauptkomponente des pathogen-induzierten VOC-Profils wurde das Phenylpropansäurederivat Methylsalicylsäure (MeSA) identifiziert. Um einen besseren Einblick in die Rolle der VOCs in der Pflanzenabwehr zu erhalten, wurden Arabidopsis T-DNA-Insertionslinien des Terpensynthase-gens TPS4 isoliert. Die Emissionsmuster zeigten, dass die induzierbare Freisetzung von TMTT, aber nicht von alpha-Ionon und beta-Farnesen oder MeSA reduziert war. Dies zeigt, dass TPS4 spezifisch die Psm-induzierte TMTT-Synthese in A. thaliana reguliert. Die verringerte Menge TMTT in den tps4-Mutanten hat jedoch keinen Einfluss auf die pflanzlichen Abwehrreaktionen und die Resistenzinduktion gegen P. syringae, was eine Rolle von TMTT als effektives Phytoalexin in A. thaliana gegen bakterielle Pathogene ausschließt. Ebenso hat TMTT keine Signalfunktion bei der Ausbildung der Systemisch erworbenen Resistenz (SAR), da tps4-Mutanten weiterhin in der Lage sind eine SAR-Antwort zu induzieren (Attaran et al. 2008). Als weiteres Teilprojekt wurde die Regulation von pathogen-induzierten VOCs in A. thaliana untersucht. Viele induzierte Abwehrmechanismen beinhalten Signaltransduktionsnetzwerke an denen Salicyl- oder Jasmonsäure beteiligt sind. Mit A. thaliana-Mutanten, die in der SA- oder JA- Synthese oder den jeweiligen Signalwegen beeinträchtigt sind, konnte gezeigt werden, dass die pathogen-induzierte TMTT-Produktion in A. thaliana über den JA-Signalweg, aber unabhängig von Salicylsäure verläuft. Auch die MeSA-Produktion ist JA-abhängig. Für die Biosynthese von SA, genauso wie für deren Derivat MeSA, wird ISOCHORISMAT SYNTHASE1 benötigt, die den MeSA-Vorläufer SA bildet. Im Rahmen einer inkompatiblen Interaktion wird die Bildung von MeSA in Abhängigkeit von der JA-Biosynthese gesteuert. Im Gegensatz dazu ist in der kompatiblen Interaktion die MeSA-Produktion vom bakteriellen Virulenzfaktor Coronatin abhängig. Coronatin-defiziente Stämme von P. syringae sind nicht fähig, eine MeSA-Emission zu induzieren (Attaran et al., 2009). Desweiteren wurde in der vorliegenden Arbeit die Rolle von MeSA in der Pflanzenabwehr untersucht. MeSA ist das VOC, welches von P. syringae-inokulierten A. thaliana-Blättern vorwiegend abgegeben wird. Kürzlich wurde für MeSA eine Signaleigenschaft als Langstreckensignal in der Etablierung der SAR postuliert (Park et al., 2007). Wir konnten zeigen, dass T-DNA Insertionslinien, bei denen keine Expression der pathogeninduzierten SA-Methyltransferase BSMT1 nachgewiesen werden konnte und die somit keine pathogen-induzierte MeSA-Produktion aufwiesen, auch in systemischen, nicht infizierten Blättern nach P. syringae-Inokulation einen erhöhten SA-Spiegel, eine verstärte Expression von Abwehrgenen und eine erhöhte Pathogenresistenz aufwiesen. Diese Mutantenlinien können also die SAR genauso und in demselben Maß wie Wildtyp-Pflanzen entwickeln. Damit konnte gezeigt werden, dass MeSA nicht als zentrales Signal für die Ausbildung der SAR in Arabidopsis wirken kann. Weitere Experimente machten deutlich, dass die SA-Akkumulation in distalen Blättern auf eine de-novo-Synthese durch die Isochorismat-Synthase zurückzuführen ist. Schließlich konnte auch eine wichtige Rolle von MeSA in der Pflanzenabwehr an den Infektionsstellen ausgeschlossen werden, da bsmt1-Mutanten SA-abhängige Abwehrreaktionen und lokale Resistenzantworten in gleicher Weise wie Wildtyp-Pflanzen zeigen (Attaran et al., 2009). Produktion und anschließende Emission von MeSA könnte daher in der Pflanze dazu beitragen, einen toxischen Überschuss an SA abzubauen. Reguliert wird dieser Prozess durch den JA-Signalweg, der dadurch einen negativen Einfluss auf den SAHaushalt der Pflanze innehat. Die Auslösung der MeSA-Produktion von dem bakteriellen Virulenzfaktor COR in der kompatiblen Wechselwirkung könnte eine Strategie von P. syringae sein, die Effizienz der SA-basierenden Abwehr zu verzögern.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:3808 |
| Date | January 2010 |
| Creators | Attaran, Elham |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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