title: Perzeption und Abbau des Pflanzenabwehrhormons Salicylsäure durch den biotrophen Pilz Ustilago maydis
title: Sensing and degradation of the plant defence hormone salicylic acid by the biotrophic fungus Ustilago maydis
Creators: name: Rabe, Franziska
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: Salicylsäure
Pflanzenpathogen, Zink-Cluster-Transkriptionsfaktor, Salizylathydroxylase
Salicylic acid, Ustilago
zinc cluster transcription factor, salicylate hydroxylase
Life sciences
Biowissenschaften, Biologie
maize
Mais , Biologie
Ustilago

description: 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.
description: 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.