Ancestral Grapes with Resistance against Dieback: Molecular and Functional Analysis of Plant-pathogen Crosstalk in the Context of Botryosphaeriaceae Related Dieback
Creators: name: Khattab, Islam Maged Abdelazeem
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Vitis vinifera resistance
Botryosphaeriaceae
Resveratrol-viniferin chemotype
Piceid chemotype
Apoplexy
Plant surrender signal
Fusicoccin A derivative

description: Holzfäule und ähnliche Krankheiten bedrohen zunehmend den weltweiten Bestand an Weinbergen. Zwar wurden Weinstockkrankheiten bereits im zwölften Jahrhundert detailreich beschrieben, doch breiten sie sich in den letzten Jahrzehnten infolge des Klimawandels massiv aus und sorgen für erhebliche wirtschaftliche Einbrüche. Nach dem Verbot von Arsen in chemischen Behandlungsmitteln rückten vermehrt nachhaltige Strategien zur Kontrolle von Krankheiten in den Fokus. Eine nachhaltige und sichere Alternative zu Fungiziden ist die Suche nach resistenten, nahen Verwandten der Kultur-Pflanze, um diese für die Resistenz-Züchtung zu verwenden. Eine Population von Wildreben (Vitis vinifera spp. sylvestris) hat auf einer Rheininsel überlebt und dort, wohlmöglich, unter natürlichem Selektionsdruck Resistenzen gegen Botryosphaeria entwickelt. Um die 89 individuellen Linien von V. sylvestris wurden im botanischen Garten des KITs eingelagert und kultiviert. Zusätzlich wurde das Genom der Pflanzen sequenziert und auf Single Nucleotide Polymorphismen (SNPs) gescreent. Repräsentative Linien aus verschiedenen Untergruppen der Population wurden mit Myzelium von Neofusicoccum parvum (Bt strain 67) angeimpft, um experimentell Botryosphaeria Sterben zu induzieren. Die Anfälligkeit der verschiedenen Linien gegen Botryosphaeria wurde über die Ausbildung von Holznekrosen durch das Pathogen quantifiziert. Des Weiteren wurde die Verbreitung der Hyphen über das Xylem mittels Kryo-Scanning-Elektronenmicroscopie gemessen. Trotz unterschiedlicher Kolonisierungsmuster konnte keine Korrelation zwischen Holzstrukturierung und Infektionserfolg festgestellt werden. Dennoch konnten anhand der Kolonisierungsmuster resistente und anfällige Genotypen bestimmt werden, die in Folge auf ihre Verteidigungsantworten untersucht worden. Dazu wurden das Metabolom-Profil und die Strady-State Transcript Level von Verteidigungsgenen untersucht. Eine HPLC MS Analyse wies bei resistenten Genotypen eine hohe Ansammlung von Stilbenen gegen die Infektion auf, wobei zum Großteil unglykosylierte Viniferin Trimere gefunden wurden. Anfällige Genotypen hingegen wiesen generell weniger Stilbene auf. Diese waren sogar zu einem deutlich größeren Teil glykosylierte Stilbene wie kurzfristig Piceid und längerfristig größere Einlagerungen von Ligninen. Erste Studien deuteten auf ein Modell hin, nach welchem die resistenten Genotypen den Phenylpropanoid-Stoffwechsel schnell in Richtung unglykolysierter Stilbene umleiten. Zudem weisen diese Genotpyen einen Chemotypen auf, der resistent gegen Weinstockkrankheiten ist und ebnen damit einen Weg für die Resistenz-Züchtung gegen Botryosphaeria-Sterben. Es wurde des Weiteren erforscht, ob der von Botryosphaeria verursachte Apoplexie-Ausbruch in den Weinberg durch spezifische Pflanzensignale ausgelöst wird. Hier konnte ein neues Element in der Kommunikation zwischen Pflanze und Pathogen identifiziert werden; das „Surrender Signal“. Der Pilz wechselt zu einem nekrotrophen Verhaltensmuster, wenn er in der ständigen, auf chemischen Stoffen basierenden Kommunikation mit dem Wirt, ein Ansammeln von trans-Ferulasäure, einem Vorgänger von Lignin, erkennt. Wenn die infizierte Rebe unter Trockenstress gerät, was Klimawandel bedingt zunimmt, bildet die Pflanze erhöhte Mengen Lignin, welche mit steigenden Leveln an trans-Ferulasäure einhergehen. Dies erkennt der Pilz als eine Art Warnsignal, auf welches er durch den Wechsel zu einem sexuellen Lebenszyklus reagiert, infolgedessen der Wirt getötet wird.Dies ermöglicht dem Pilzin Fortbestehen durch einen Wirtswechsel. Über eine „bio-activity-guided fractionation“ konnte das Polyketid eines Fusicoccin A Derivats als potenzielles Toxin identifiziert werden, das die Apoplexie in der Weinrebe verursacht. Nähere Untersuchungen zur Fusicoccin StresssSignalübertragung zeigten, dass das Toxin Plasmamembran ATPasen und die Generation von Superoxiden erheblich aktiviert. Zusätzlich reguliert es die Genexpression von Genen hoch, welche in Vitis Zellen den Phenylpropanoid-Stoffwechselweg, Phytohormon Signalwege, und Metakaspasen-abhängigen (MC2 und MC5) regulieren. Fusicoccin beeinflusst zusätzlich die Struktur des Cytoskeletts, in dem es Mikrotubuli-Abbau und Aktin-Bündelung induziert. Verschiedene Faktoren zeigen wichtige Rollen in der Signalübertragung des Fusicoccin-Stresses, wie beispielsweise 14-3-3 Proteine, „Respiratory Burst Oxygen“ Homologe, das Cytoskelett und Metakaspasen (MC2 und MC5).