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Titel:Analyse der Genregulation in Medicago truncatula und Pisum sativum während der Entwicklung arbuskulärer Mykorrhiza
Autor:Grunwald, Ulf
Weitere Beteiligte: Franken, Philipp, PD Dr.
Erscheinungsjahr:2004
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2004/0135
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2004-01351
DOI: https://doi.org/10.17192/z2004.0135
DDC: Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.):Analysis of Gene Regulation in Medicago truncatula and Pisum sativum during Arbuscular Mycorrhiza Development

Dokument

Schlagwörter:
Mykorrhiza, Wasserstoff-ATPase, Microarray, Glomus. Gigaspora, Glomus. Gigaspora, Differentielle Genexpression, ABA, Medicago truncatula, IBA, IBA, Mycorrhiza, Microarrays, ABA, Gene expression

Zusammenfassung:
Ein zentrales Merkmal der arbuskulären Mykorrhiza (AM), einer symbiontischen In-teraktion zwischen Pflanzenwurzeln und Bodenpilzen des Phylums Glomeromycota, ist die durch den Pilz verbesserte Versorgung der Pflanze mit Nährstoffen, vor allem mit Phosphat. Die Promoteraktivität des H+-ATPase Gens Mtha1 aus Medicago trun-catula wurde sowohl in arbuskelhaltigen Zellen der Wurzelrinde als auch in der Fixie-rungszone und dem Meristem von Wurzelknöllchen lokalisiert. Dies deutet darauf hin, dass der durch die ATPase gebildete Protonengradient, nicht nur in Mykorrhizen, sondern auch in Knöllchen am Nährstofftransfer beteiligt sein könnte. Zur erfolgreichen Etablierung der AM benötigen beide Symbionten einen ständigen Signalaustausch. Wachstums- und Entwicklungsprozesse steuernde Phytohormone, wie Abscisinsäure (ABA) und Indol-3-Buttersäure (IBA), könnten aufgrund eines Konzentrationsanstiegs in mykorrhizierten Wurzeln an der AM-Bildung beteiligt sein. Eine Veränderung der pflanzlichen Genexpression erfolgt demnach nicht nur direkt durch AM Pilze, sondern auch über sekundäre Effekte, wie variierende Phytohor-mon- und veränderte Phosphatkonzentrationen. Durch die Untersuchung von Transkriptionsprofilen wurden in Wurzeln von M. truncatula 568 Gene identifiziert, die durch die AM Pilze Glomus mosseae, Glomus intraradices oder Gigaspora rosea, aber nicht durch appliziertes ABA, IBA oder Phosphat reguliert werden. Geringe Ge-meinsamkeiten der pflanzlichen Transkriptionsprofile unterstrichen dabei die physio-logischen und morphologischen Unterschiede zwischen den Mykorrhizen, die durch verschiedene AM Pilze gebildet werden. Die Verwendung der suppressiven subtrak-tiven Hybridisierung in Kombination mit Makroarray-Analysen resultierte in der Identi-fizierung von 17 AM-regulierten Genen aus Pisum sativum, die alle bis auf eine Aus-nahme eine Arbuskel-assoziierte Expression zeigten, aber nicht durch Interaktionen mit dem Symbionten Rhizobium leguminosarum oder dem Wurzelpathogen Apha-nomyces euteiches induziert wurden. Bestätigung differentieller Genexpression er-folgte für neun Gene im Northern Blot oder über semiquantitative RT-PCR. Homolo-giesuche der Gensequenzen aus der Erbse in M. truncatula EST-Datenbanken resul-tierte in der Identifizierung einer Familie von Trypsin-Inhibitoren, von denen fünf Mit-glieder, durch Real-Time-PCR bestätigt, eine AM-spezifische Induktion zeigten. Demnach kann das Modell M. truncatula zur molekularen Analyse von wirtschaftlich bedeutenden Leguminosen wie die Erbse herangezogen werden.

Summary:
Arbuscular mycorrhiza (AM) is a symbiotic interaction between plant roots and soil fungi of the phylum Glomeromycota, which leads to an improved nutrient supply to plants, primarily phosphate. Promoter activity of the proton-pumping ATPase Mtha1 was localised in arbuscle-containing cortex cells as well as in the fixation zone and meristeme of nodules in Medicago truncatula roots. The generated electrochemical gradient could be involved in nutrient transfer in mycorrhizal and in nodulated roots. A successful establishment of the AM is associated with a bidirectional signal exchange between both symbionts. Phytohormones regulate plant growth and development. Increased levels of the phytohormones, abscisic acid (ABA) and indole-3-butyric acid (IBA), in mycorrhizal roots could also support formation of symbiotic structures. Plant gene expression is therefore not only altered by AM fungi but also by secondary effects like changing levels of phytohormones and phosphate in mycorrhizal root tissue. Investigation of the root transcriptome of M. truncatula resulted in the identification of 568 genes, regulated by different AM fungi (Glomus mosseae, Glomus intraradices, Gigaspora rosea), but not by ABA, IBA or phosphate. Strong variation of plant gene expression emphasizes physiological and morphological differences in mycorrhizas, caused by different AM fungi. Application of suppressive subtractive hybridisation in combination with macroarray analysis resulted in the identification of 17 genes in Pisum sativum induced by mycorrhiza, but not by the symbiont Sinorhizobium meliloti or by the pathogen Aphanomyces euteiches. With one exception all genes showed an arbuscle-associated expression, which could be confirmed for nine candidates by Nothern blot analysis and semiquantitative RT-PCR respectively. By sequence comparison of P. sativum genes with EST databases of M. truncatula a trypsin inhibitor gene family was found also with transcript accumulation in mycorrhizal roots, confirmed by Real-Time-PCR. M. truncatula is therefore a useful model organism for better characterization of important crop plants like P. sativum.


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