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Titel:Identification of seedling-specific effectors in the Ustilago maydis – maize interaction : From organ to cell type specificity
Autor:Matei, Alexandra
Weitere Beteiligte: Döhlemann, Gunther (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2016
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2017/0074
DOI: https://doi.org/10.17192/z2017.0074
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2017-00747
DDC: Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.):Identifizierung keimlingsspezifischer Effektoren in der Ustilago maydis - Mais Interaktion : Von Organ- zu Zelltypspezifität
Publikationsdatum:2017-09-14
Lizenz:https://rightsstatements.org/vocab/InC-NC/1.0/

Dokument

Schlagwörter:
Maize, Ustilago zeae, Mais, Ustilago maydis

Summary:
Der Basidiomyzet Ustilago maydis ist der Erreger des Maisbeulenbrands in Zea mays (Mais). Nach Etablierung der biotrophen Interaktion induziert Ustilago maydis Tumore in allen oberirdischen pflanzlichen Organen. Zur Unterdrückung des pflanzlichen Immunsystems sowie zur Etablierung der biotrophen Interaktion und Tumorinduktion sekretiert der Pilz mehr als 500 sogenannter Effektorproteine. Neben allgemeiner Effektoren sekretiert der Pilz auch organspezifische Effektoren, die eine Anpassung an die physiologisch unterschiedlichen Gewebe der pflanzlichen Organe gewährleisten (Skibbe et al., 2010; Schilling et al., 2014) Um die organspezifische Etablierung der U. maydis – Mais Interaktion aufzuklären, wurde in dieser Studie eine Gruppe an Effektorproteinen untersucht und charakterisiert, die spezifisch an der Virulenz im Blatt oder der männlichen Blüte beteiligt sind (Schilling et al., 2014). Der hierbei identifizierte blattspezifische Effektor Um01690 (Small tumors in seedling 1, Sts1) wurde mit Hilfe des Hefe-Zwei-Hybrid-Systems auf seine Interaktion mit potentiellen Maisproteinen untersucht. Es wurde eine Mais Carboxypeptidase als potentieler Interaktor identifiziert, welche möglicherweise eine Rolle in der Regulation der pflanzlichen meristematischen Gewebe und des Wachstums spielt. In einem zweiten Teil dieser Arbeit wurde die gewebe- und zelltypspezifische Interaktion von U. maydis und dem Mais Blattgewebe untersucht. Histologische Untersuchungen der Zellanatomie während der Tumorinduktion haben hierbei zum Verständnis der Entwicklung von Blatttumoren beigetragen und den Einfluss von U. maydis auf Mesophyll und Bündelscheidezellen identifiziert. Die Interaktion von Pilz und Pflanze wurde hierbei auf die physiologischen bis hin zu subzellulären Veränderungen während des Tumorwachstums untersucht. DNA Syntheseuntersuchungen in Wirtszellen haben hierbei zur genauen Charakterisierung des Ursprungs und der Entwicklung von hyperplastischen (aus den Bündelscheidezellen resultierenden) und hypertrophen (aus dem Mesophyll resultierenden) Tumorzellen beigetragen. Zusätzlich wurde der vorher beschriebene Effektor See1 (Redkar et al., 2014) als erster zelltypspezifischer Effektor in der Blatttumorinduktion in der U. maydis – Mais Interaktion identifiziert. Mit Hilfe einer zelltypspezifischen Genexpressionsanalyse (laser capture microdissection) wurden individuell exprimierte pilzliche Effektorproteine in beiden Tumorzelltypen identifiziert.

Zusammenfassung:
Ustilago maydis is a basidiomycete fungus that causes smut disease on maize. As tumor formation occurs on all aerial parts of the plant, the fungus has to adapt to different types of host tissues which differ in structure and physiology. U. maydis therefore deploys an organ-specific set of adaptable virulence-related proteins (effectors) to circumvent host immunity and induce tumor-formation (Skibbe et al., 2010). Individual effector genes that are required for virulence in an organ-specific manner were identified in this study (Schilling et al., 2014). To understand, how organ-specific effectors contribute to fungal virulence, the seedlingspecific effector Um01690 (Sts1) was analyzed for its host interactor by yeast-2-hybrid analysis. This identified a maize carboxypeptidase as a putative interactor of Sts1 which is described to be involved in growth and developmental control. In the second approach, tissue- and cell type-specific activity of U. maydis was investigated. A cell type-specific gene expression analysis as well as a microscopic cell size measurement was performed to analyze leaf tumor formation on the cellular level. Tracking of cell development, together with in-vivo visualization of plant DNA synthesis identified bundle sheath cells as the origin of hyperplasic cell division, while mesophyll cells turn into hypertrophic tumor cells showing endoreduplication. In parallel to that, cell wall component analyses in tumors have elucidated U. maydis-induced cell wall reformations. Histological stainings have visualized interactions of fungal and host factors in a cell type-specific and temporal context and shown physiological changes of seedling leaf tissue during tumor development. Furthermore, the U. maydis effector See1 (Redkar et al., 2015a) was identified in this study as the first effector that acts in a cell type-specific context upon leaf tumor induction. RNAseq analysis of micro-dissected tumor cells showed that the fungus deploys cell typespecific effector gene expression in leaves upon tumor induction in addition to generally transcribed core effector genes. In summary this study elucidated cell type-specific processes leading to U. maydis-induced tumor formation in maize leaves.


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