Pathobiology of Heterobasidion-conifer tree interaction: molecular analysis of antimicrobial peptide genes (Sp-AMPs)

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0229-4
Title: Pathobiology of Heterobasidion-conifer tree interaction: molecular analysis of antimicrobial peptide genes (Sp-AMPs)
Author: Jaber, Emad
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Forest Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2014-10-31
Belongs to series: URN:ISSN:2342-5431
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0229-4
http://hdl.handle.net/10138/135951
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Little information is available concerning the interaction of Heterobasidion annosum with the roots of herbaceous angiosperm plants. We investigated the infec¬tion biology of H. annosum during challenge with the angi¬osperm model Arabidopsis and monitored the host response after exposure to various hormone elicitors, chemicals (chitin, glucan and chitosan) and fungal species. This necrotrophic pathogen of conifer trees was able to infect the Col-8 (Columbia) ecotype of Arabidopsis in laboratory inoculation experiments. The germi¬nated H. annosum spores had appressorium-like penetra¬tion structures that attached to the surface of the Arabidopsis roots. The subsequent invasive fungal growth led to the disin¬tegration of the vascular region of the root tissues. The progres¬sion of root rot symptoms in Arabidopsis was similar to the infection development that was previously documented in Scots pine seedlings. Analysis of defensin gene expression in response to various biotic and chemical treatments in Scots pine compared with Arabidopsis suggested functional differences in their regulation in the two studied hosts. In parallel to the above study, the expression patterns of other closely related proteins, Scots pine antimicrobial proteins (Sp-AMPs) and the structure and function of the encoded proteins were investigated. The Sp-AMPs exhibited increased levels of expression specifically when challenged with H. annosum, consistent with a function in conifer tree defenses. The Sp-AMPs were up-regulated after treatment with salicylic acid (SA) and with ethylene (ET). The Sp-AMPs possessed antifungal activity against H. annosum and caused morphological changes in its hyphae and spores. The Sp-AMPs directly bind soluble and insoluble β-(1,3)-glucans specifically and with high affinity. Furthermore, the addition of exogenous glucan is associated with increased levels of Sp-AMP expression in the conifer tree. It was concluded from Homology modeling and sequence comparisons that Sp-AMPs belong to a new family of antimicrobial proteins (PR-19) that are likely to act by binding the glucans, which are a major component of fungal cell walls. To evaluate the potential of Sp-AMP as a molecular marker for resistance tree breeding, we developed transgenic tobacco plants expressing the Sp-AMP gene. A bioassay of transgenic tobacco (Nicotiana tabacum L. cv. SR1) plants over-expressing Sp-AMP2 challenged with the necrotrophic tobacco pathogen Botrytis cinerea was further investigated. The necrotic lesions caused by B. cinerea on the non-transgenic tobacco leaves were severe and larger than those lesions formed on the transgenic line. The results suggest that Scots pine pathogenesis-related protein 19 (PR-19) confers increased tolerance against Botrytis cineria in transgenic tobacco. This study provided insight concerning the initial molecular characterization of the expression and regulation of this protein family. The potential utility of the Sp-AMP genes as resistance markers in the conifer tree H. annosum pathosystem merits further investigation.Antimikrobiaalisten peptidien merkitys juurikäävän ja havupuiden vuorovaikutuksessa Männynjuurikääpä (Heterobasidion annosum) on erityisesti havupuiden taudinaiheuttajana tunnettu sieni, mutta sen kykyä levitä koppisiemenisiin ruohovartisiin kasveihin ei ole juurikaan tutkittu. Sienen tartuntabiologiaa tutkittiin lituruoholla (Arabidopsis thaliana), jonka vastetta testattiin erilaisilla herätemolekyyleillä: hormoneilla, kemikaaleilla (kitiini, glukaani, kitosaani) sekä sienirihmastolla. Juurikäävän rihmasto pystyi leviämään Col-8 tyypin lituruohoon. Sieni muodosti lituruohon juuriin painerihman kaltaisia rakenteita, joilla sienet tunkeutuvat kasvin solukkoon. Sieni vaurioitti juurten johtosolukkoa. Juurilahon oireet lituruoholla muistuttivat männyntaimilla havaittuja oireita. Defensiinigeenien toimintaa tutkittiin analysoimalla geenien ilmentymistä erilaisten bioottisten ja kemiallisten tekijöiden vaikutuksesta. Männyn geeni PsDef1 ja lituruohon geenit DEFLs (AT5G44973.1) ja PDF1.2 indusoituivat rihmaston tartunnan alkuvaiheissa. Geenien ilmentymiserot viittasivat kuitenkin siihen, että niiden säätely tapahtuu eri tavoin eri kasviryhmissä. Sp-AMP ilmentyi erityisesti juurikäävän rihmaston vaikutuksesta, mutta tautia aiheuttamattomat sienet eivät saaneet aikaan samanlaista vaikutusta. Sp-AMP- geenin ilmentyminen lisääntyi heräteyhdisteinä tunnettujen salisyylihapon ja etyleenin vaikutuksesta. Sp-AMP proteiinit häiritsivät juurikäävän rihmaston kasvua. Proteiinit sitoutuivat liukoisiin ja liukenemattomiin β-(1,3)-glukaaneihin. Lisäksi eksogeenisen glukaanin kohonnut taso männyssä on kytköksissä korkeaan Sp-AMP geenin ilmentymistasoon. Homologian mallintamisen ja sekvenssien perusteella Sp-AMP proteiiniin pinnalla on hiilihydraattien sitoutumisalue. Sp-AMP proteiinit kuuluvat uuteen antimikrobiaalisten proteiinien ryhmään (PR-19), jotka sitoutuvat sienten soluseinien glukaaneihin. Sp-AMP-geenin merkitystä taudinkestävyydessä tutkittiin tartuttamalla harmaahomesienellä (Botrytis cinerea) siirtogeeninen tupakkakasvi (Nicotiana tabacum SR1), joka ilmentää Sp-AMP-geeniä. Harmaahomeen aiheuttamat vauriot olivat vakavampia ei-siirtogeenisillä kasveilla. Tulosten perusteella männyn PR-proteiini 19 lisäsi siirtogeenisen tupakan harmaahomeenkestävyyttä. Tutkimus toi molekulaarista lisätietoa tämän proteiiniryhmän ilmentämiseen ja säätelyyn kasveissa. Väitöskirjatyön tulokset antavat aihetta jatkotutkimuksille, sillä ne viittaavat siihen, että Sp-AMP- geenillä on lupaavia käyttömahdollisuuksia havupuiden taudinkestävyyden merkkigeeninä.
Subject: faculty of Agriculture and Forestry, University of Helsinki
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
pathobio.pdf 6.565Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record