Effects of early drought stress and bacterial endophytes on gene expression and plant physiology in pepper (Capsicum annuum L.)

Wassermangel ist einer der Hauptfaktoren, die die Paprikaproduktion beschranken. Grundlegendes Wissen uber die physiologischen und molekularbiologischen Zusammenhange sind Voraussetzung fur die Entwicklung trockenheitstoleranter Pflanzen. Auch durch Endophyten kann die Stresstoleranz gesteigert werden. In dieser Arbeit wurden die Reaktionen bezuglich physiologischer Parameter und der Genexpression in verschiedenen Pflanzenorganen von Paprika auf beginnenden Trockenstress sowie die Wirkung endophytischer Bakterien untersucht. Biochemische Analysen, real-time RT-PCR und Suppression Subtractive Hybridisation wurden mit Microarray-Analysen verbunden. Da es fur Paprika keine reprasentative Microarray-Plattform gibt, wurden vorhandene, mutmaslich auf Trockenstress reagierende ESTs verschiedener Pflanzenspezies, zusatzlich auf das Microarray gespottet, wodurch ein stress-spezifisches Mulit-Species-Array entstand. Die Pflanzen reagierten auf den Wassermangel mit Anpassung des osmotischen Potentials und Anreicherung von Raffinose und Glucose in den Wurzeln. In den Blattern nahm dagegen der Gehalt an Fructose und Saccharose zu. Die Werte fur Galactinol und Hydroxyprolin stiegen in beiden Pflanzenorganen an. In den Blattern reicherten sich auserdem verschiedene Polyamine an, deren Gehalt in den Wurzeln reduziert war. Im Gegensatz dazu nahm der Prolin-Gehalt in den Wurzeln enorm zu und in den Blattern ab. Erhohte Mengen Prolin wurden auch in den Pflanzen, die mit den Endophyten inokuliert wurden, festgestellt. Die Genexpressionen von ESTs, die Enzyme kodieren, die im Zusammenhang mit dem Stoffwechsel von Prolin stehen, pasten mit dem metabolischen Profil der Pflanzen uberein. Die Inokulation mit Endophyten fuhrte zu einer Veranderung der Regulierung von zwei Genen, die mit der Prolin-Synthese in Zusammenhang stehen. Durch die 1-Aminocyclopropan-1-Carboxylate(ACC)-Deaminase produzierenden Bakterien anderte sich auch die Expression des Gens, welches das Enzym ACC Oxidase codiert. Dieses Enzym katalysiert den letzten Schritt der Ethylen-Synthese. Eine Microarray-Analyse der Klone der SSH-Libraries ergab 109 trockenstress-induzierte ESTs. Zwar wurden diese in Blattern und Wurzeln unterschiedlich reguliert, jedoch nicht in gegensatzliche Richtungen. Durch Hybridisierung des Microarrays mit subtrahierter cDNA konnten zusatzlich 286 ESTs einem Forward- oder Reverse-Library zugeordnet werden. Das breite Spektrum der funktionellen Klassen der sequenzierten ESTs spiegelt die Komplexitat der Stressantwort der Pflanzen wider. Die Hybridisierung des Multi-Species-Microarrays mit cDNA gestresster Paprikapflanzen resultierte in Abhangigkeit von der Pflanzenart und derer phylogenetischen Distanz zu Paprika in Hybridisierungsraten zwischen 57,9% und 95,7%. Zwar ergab die Analyse homologer Gene einen deutlichen Verlust an Aussagekraft durch die Verwendung verschiedener Spezies, jedoch standen die mit den Sonden der verschiedenen Spezies gemessenen Genexpressionen nicht im deutlichen Gegensatz zur Performance der Paprika-Sonden. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit neue Einblicke in die Auswirkungen von beginnendem Trockenstress auf Paprikapflanzen und gibt einen Hinweis auf eine mogliche Stressreduktion durch bakterielle Endophyten.