Ecosystem on a Chip: Understanding communication between plant and fungus
Creators: name: Metzger, Christian
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2023
Subjects: Microfluidic Bioreactor
Grapevine
Vitis
Plant Immunity
Roesleria subterranea

description: In jeder Symbiose ist das Verhältnis der zwei beteiligten Spezien geprägt vom Austausch und der Erkennung von Signalen. In parasitären Beziehungen, konzentriert sich die angreifende Spezies auf das Vermeiden ihrer Erkennung, während die Wirts-Spezies kontinuierlich ihre Möglichkeiten verbessert, Eindringlinge zu entdecken. Änderungen im globalen Klima ändern das Gleichgewicht, in dem sich Spezien befinden, indem sie den Wirt erheblich schwächen oder den Pathogenen ermöglichen, in neue Gebiete vorzudringen und naive Wirte zu treffen, die ihren Angriffen gegenüber anfällig sind. Um die existenzbedrohenden Ernteverluste zu reduzieren, die von Pathogenen verursacht werden, setzen Agrarwirte chemischen Pflanzenschutz ein. Dieser kann, bei exzessivem Gebrauch, den Landwirt finanziell und dem Ökosystem durch Nebenwirkungen schaden. Alternativ könnten immunoaktive Substanzen verwendet werden, um die inhärenten Verteidigungsfähigkeiten von Pflanzen zu stärken, indem man das „Defence Priming“ der Pflanzen nutzt. Hier verursacht ein vorhergehender Stress Stimulus, dass die Verteidigungsreaktion einer Pflanze schneller und stärker ausfällt, sollte ein Pathogen angreifen. So wird die Interaktion zwischen Pathogen und Wirtspflanze zu Gunsten der Pflanze manipuliert. In dieser Arbeit wurde der Wirkungsmechanismus von pilzlichen Metaboliten von Roesleria subterranea untersucht, die von unseren Projektpartnern am ibwf, Mainz als bioaktiv identifiziert wurden. Zusätzlich wollten wir Methoden etablieren, Mikrofluidische BioReaktoren (MBR) zu nutzen, um die Verteidigungsreaktion von Pflanzenzellen zu quantifizieren, die in ihnen kultiviert werden. Es sollten die Konzentrationsmessung von Reaktiven Oxygen Spezien (ROS) und eine Beobachtung des extrazellulären pHs getestet werden. Wir haben das etablierte Design des MBR geändert und getestet, um pilzliche Zellen darin zu beherbergen, um sie in möglichen Co-Kultivierungs Experimenten unter kontinuierlicher Beobachtung zu verwenden. Unter den R. subterranea Metaboliten konnten wir das AcetonAduct von Entatreventinon (AaE) als möglichen Effektor identifizieren, der in der Lage zu sein scheint, die Synthese von Phytoalexinen von dem Programmed Cell Death (PCD) einer erfolgreichen Immunreaktion der Pflanze zu trennen. Mit den MBR wurden erfolgreiche Experimente durchgeführt, in denen wir den pH kontinuierlich messen konnten und konnten signifikante Unterschiede in der H2O2 Konzentration im ausfließenden Medium des MBRs messen. Das Kultivieren von Pilz-Zellen im MBR war nur für kurze Zeiträume möglich, in denen wir jedoch ein erfolgreiches Co-Kultivierungsexperiment durchführen konnten. Zusammenfassend, konnte diese Arbeit das Potential demonstrieren, MBRs zu nutzen, um die Parameter einer pflanzlichen Immunreaktion während des Kultivierens auszulesen. Es wurden mögliche Verbesserungenmöglichkeiten im System erkannt, um die Methoden zu vereinfachen und zu beschleunigen. Zusätzlich wurde AaE als möglicher Effektor erkannt, der in der Lage zu sein scheint, die Synthese von Phytoalexinen von der Induktion des PCD zu trennen, der fester Bestandteil einer erfolgreichen Verteidigung der Wirtspflanze ist.