The nutrient exchange between plant and fungus is the key element of the arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis. The fungus improves the plant’s uptake of mineral nutrients, mainly phosphate, and water, while the plant provides the fungus with photosynthetically assimilated carbohydrates. Still, the knowledge about the mechanisms of the nutrient exchange between the symbiotic partners is very limited. Therefore, transport processes of both, the plant and the fungal partner, are investigated in this study. In order to enhance the understanding of the molecular basis underlying this tight interaction between the roots of Medicago truncatula and the AM fungus Rhizophagus irregularis, genes involved in transport processes of both symbiotic partners are analysed here.
The AM-specific regulation and cell-specific expression of potential transporter genes of M. truncatula that were found to be specifically regulated in arbuscule-containing cells and in non-arbusculated cells of mycorrhizal roots was confirmed. A model for the carbon allocation in mycorrhizal roots is suggested, in which carbohydrates are mobilized in non-arbusculated cells and symplastically provided to the arbuscule-containing cells. New insights into the mechanisms of the carbohydrate allocation were gained by the analysis of hexose/H+ symporter MtHxt1 which is regulated in distinct cells of mycorrhizal roots. Metabolite profiling of leaves and roots of a knock-out mutant, hxt1, showed that it indeed does have an impact on the carbohydrate balance in the course of the symbiosis throughout the whole plant, and on the interaction with the fungal partner. The primary metabolite profile of M. truncatula was shown to be altered significantly in response to mycorrhizal colonization.
Additionally, molecular mechanisms determining the progress of the interaction in the fungal partner of the AM symbiosis were investigated. The R. irregularis transcriptome in planta and in extraradical tissues gave new insight into genes that are differentially expressed in these two fungal tissues. Over 3200 fungal transcripts with a significantly altered expression level in laser capture microdissection-collected arbuscules compared to extraradical tissues were identified. Among them, six previously unknown specifically regulated potential transporter genes were found. These are likely to play a role in the nutrient exchange between plant and fungus. While the substrates of three potential MFS transporters are as yet unknown, two potential sugar transporters are might play a role in the carbohydrate flow towards the fungal partner.
In summary, this study provides new insights into transport processes between plant and fungus in the course of the AM symbiosis, analysing M. truncatula on the transcript and metabolite level, and provides a dataset of the R. irregularis transcriptome in planta, providing a high amount of new information for future works. / In der arbuskulären Mykorrhiza (AM) Symbiose werden die Wurzeln fast aller Landpflanzen von Pilzen der Abteilung Glomeromycota besiedelt. Der Pilz erleichtert der Pflanze die Aufnahme von Mineralien, hauptsächlich Phosphat, und Wasser. Im Gegenzug versorgt die Pflanze ihn mit Photoassimilaten. Trotz der zentralen Bedeutung der Austauschmechanismen zwischen Pilz und Pflanze ist nur wenig darüber bekannt. Um die molekularen Grundlagen der Interaktion zwischen den Wurzeln der Leguminose Medicago truncatula und dem arbuskulären Mykorrhizapilz Rhizophagus irregularis besser zu verstehen, werden hier die Transportprozesse, die zwischen den Symbiosepartnern ablaufen, näher untersucht.
Die zellspezifische Regulation der Transkription potentieller M. truncatula Transporter Gene in arbuskelhaltigen und nicht-arbuskelhaltigen Zellen mykorrhizierter Wurzeln wird bestätigt. Ein Modell zur möglichen Verteilung von Kohlenhydraten in mykorrhizierten Wurzeln, nach dem Zucker in nicht-arbuskelhaltigen Zellen mobilisiert und symplastisch an arbuskelhaltige Zellen abgegeben werden, wird vorgestellt. Die Analyse eines Mykorrhiza-induzierten Hexose/H+ Symporter Gens, MtHxt1, liefert neue Einsichten in die Mechanismen der Kohlenhydratverteilung in mykorrhizierten Pflanzen. Metabolitanalysen von Wurzeln und Blättern einer knock-out Mutante dieses Gens zeigen dessen Einfluss auf den Kohlenhydrathaushalt der ganzen Pflanze und auf die Interaktion mit dem Pilz. Die Metabolitzusammensetzung von M. truncatula wird durch die Mykorrhiza Symbiose signifikant beeinflusst.
Darüber hinaus werden durch Transkriptomanalysen die molekularen Grundlagen der AM Symbiose auf der Seite des Pilzes analysiert. Arbuskeln wurden mittels Laser Capture Mikrodissektion direkt aus mykorrhizierten Wurzeln isoliert. Über 3200 pilzliche Transkripte weisen in diesen Arbuskeln im Vergleich zu extraradikalen Geweben ein deutlich verändertes Expressionslevel auf. Unter diesen Transkripten sind auch sechs zuvor unbekannte Gene, die für potentielle Transporter codieren und mit großer Wahrscheinlichkeit eine Rolle im Nährstoffaustausch zwischen Pilz und Pflanze spielen. Während die Substrate von drei potentiellen MFS Transportern noch unbekannt sind, spielen zwei potentiellen Zuckertransporter möglicherweise eine Rolle im Transport von Kohlenhydraten in Richtung des Pilzes.
Zusammengefasst bietet diese Arbeit neue Einsichten in Transportprozesse zwischen Pilz und Pflanze im Laufe der AM Symbiose. M. truncatula Transkript- und Metabolitlevel werden analysiert und die Transkriptomanalyse von R. irregularis liefert einen umfassenden Datensatz mit einer großen Menge an Informationen zu der noch unzureichend erforschten pilzlichen Seite der Symbiose für folgende Arbeiten.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:6821 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Duensing, Nina |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Biochemie und Biologie |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Text.Thesis.Doctoral |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://opus.kobv.de/ubp/doku/urheberrecht.php |
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