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Titel: Sensing and degradation of the plant defence hormone salicylic acid by the biotrophic fungus Ustilago maydis
Autor: Rabe, Franziska
Weitere Beteiligte: Kahmann, Regine (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr: 2016
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2016/0663
DOI: https://doi.org/10.17192/z2016.0663
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2016-06636
DDC: 570 Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.): Perzeption und Abbau des Pflanzenabwehrhormons Salicylsäure durch den biotrophen Pilz Ustilago maydis

Dokument

Schlagwörter:
Ustilago, Salicylsäure, Mais, Biologie, Pflanzenpathogen, Zink-Cluster-Transkriptionsfaktor, Salizylathydroxylase, Salicylic acid, Ustilago, maize, zinc cluster transcription factor, salicylate hydroxylase

Summary:
Salicylic acid (SA) belongs to the class of phenolic compounds and is composed of an aromatic ring with one carboxyl- and one hydroxyl group. In plants, it is a key signalling molecule for the regulation of local and systemic defence responses against biotrophic plant pathogens. One model organism to study biotrophic pathogens is Ustilago maydis, the causative agent of corn smut disease. U. maydis employs strategies to interfere with SA production and SA-associated signalling of its host Zea mays. These strategies are considered to supress defence responses and thereby contribute to a successful infection. Moreover, the U. maydis genome encodes three putative salicylate hydroxylases, UMAG_05230, UMAG_03408, and UMAG_05967, which are predicted to degrade SA. For one of these proteins, UMAG_05230 (Shy1), salicylate hydroxylase activity could already be experimentally confirmed. Based on the predicted enzymatic function of these proteins, it was hypothesized that by eliminating SA they could contribute to the suppression of host immunity. To provide insights into the biological role of SA degradation by salicylate hydroxylases in U. maydis, the functional characterization of these genes was continued in this study. It could be demonstrated that U. maydis is able to use SA as carbon source and that Shy1 is essential for SA utilization. Besides shy1 and the second salicylate hydroxylase-related gene UMAG_03408, which were previously shown to be induced during infection, also the third gene of this family, UMAG_05967, was strongly upregulated in these developmental stages. However, although induced during biotrophic growth, no involvement in virulence could be shown for these three genes. Transcriptional profiling revealed that shy1 and the two salicylate hydroxylase-related genes are induced in presence of SA, indicating that U. maydis is able to sense SA. To provide insights into the molecular mechanism of SA perception and signalling, a forward genetic screen was performed. This screen led to the identification of one key regulator for SA sensing, the binuclear zinc cluster transcription factor Rss1. Rss1 is important for SA sensing and modulates the expression of genes that are needed to metabolise SA and tryptophan. Rss1 most likely acts concomitantly as SA sensor and transcriptional activator. Although Rss1 is important for the regulation of SA-responsive genes in axenic culture, transcriptional profiling data provided evidence that additional cues and pathways could exist that regulate these genes during plant colonization. Moreover, virulence assays with rss1 deletion mutants showed that the deletion of rss1 had no impact on virulence in seedling infections.

Zusammenfassung:
Salicylsäure (SA) ist eine phenolische Verbindung bestehend aus einem aromatischen Ring mit einer Carboxyl- und Hydroxylgruppe. SA stellt ein Schlüsselmolekül der pflanzlichen Immunantwort dar und reguliert lokale als auch systemische Abwehrreaktionen gegen biotrophe Pathogene. Ein Modellorganismus für biotrophe Pathogene ist der Maisbeulenbrandpilz Ustilago maydis. Um SA-vermittelte Abwehrreaktionen zu unterdrücken und erfolgreich die Pflanze zu besiedeln hat U. maydis verschiedene Strategien entwickelt. So konnte gezeigt werden, dass U. maydis die pflanzliche SA-Produktion sowie die SA-assoziierte Signalweiterleitung zu seinen Gunsten manipulieren kann. Außerdem wurden im Genom von U. maydis drei Gene identifiziert, die für putativ SA-abbauende Enzyme, sogenannte Salicylathydroxylasen, kodieren. Für eines dieser Proteine, Shy1,wurde bereits die enzymatische Aktivität als Salicylathydroxylase bestätigt. Die vorhergesagte Eigenschaft SA abzubauen bildete die Grundlage für die Hypothese, dass diese Proteine zur Unterdrückung der pflanzlichen Immunantwort beitragen könnten. Um die biologische Funktion des SA-Abbaus durch Salicylathydroxylasen in U. maydis zu verstehen, wurde in dieser Arbeit die Charakterisierung dieser Proteine fortgesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass U. maydis SA als Kohlenstoffquelle nutzen kann und Shy1 für diesen Abbau essentiell ist. Neben shy1 und UMAG_03408, dem zweiten vorhergesagten Salicylathydroxylase-Gen, ist auch das dritte Gen der Familie, UMAG_05967, während der pathogenen Entwicklung induziert. Allerdings haben diese Gene trotz ihrer transkriptionellen Induktion keinen Einfluss auf die Virulenz des Pilzes. Quantitative real-time PCR-Analysen zeigten, dass shy1, UMAG_03408 und UMAG_05967 durch SA induziert werden. Dies lies vermuten, dass U. maydis SA perzipieren kann. Um herauszufinden, welche Faktoren an SA-Perzeption und Weiterleitung beteiligt sind, wurde ein auf UV-Mutagenese basierendes genetisches Screening durchgeführt. Dabei konnte Rss1 als Schlüsselkomponente des SA-Signalwegs identifiziert werden. Das Protein weist Merkmale eines binuklearen Zink-Cluster Transkriptionsfaktors auf und reguliert die Expression von Genen, die im SA- und Tryptophan-Metabolismus involviert sind. Rss1 agiert vermutlich gleichzeitig als SA-Sensor und transkriptioneller Aktivator. Obwohl Rss1 wichtig für die Expression von SA-induzierten Genen in axenischer Kultur ist, lieferten real-time PCR-Analysen Hinweise, dass weitere Signalwege während der pathogenen Entwicklung aktiv sind, die SA-induzierte Gene regulieren. Pathogenitätsstudien zeigten zudem, dass rss1 keinen Einfluss auf die Virulenz von U. maydis hat.


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