title: Molecular Dissection of Maize-Sporisorium reilianum Interactions: Host Developmental Changes and Pathogen Effectors
title: Molekulare Dissektion von Mais-Sporisorium reilianum Interaktionen: Entwicklungsbedingte Wirt-Veränderungen und Pathogen-Effektoren
Creators: name: Ghareeb, Hassan
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: Sporisorium reilianum
Effektoren
Entwicklung
Pathogen
Biowissenschaften, Biologie
Effector, Pathogen
Development

description: Sporisorium relianum ist ein
      Verursacher von Maiskopfbrand. Die Symptome werden sichtbar,
      wenn der Pilz Sporenbildung und Verlaubung (Phyllodie) im
      Blütenstand verursacht. In dieser Studie sollten Symptom- und
      Virulenzfaktoren des Pathogens identifiziert und
      charakterisiert werden, und herausgefunden werden, wie der
      Pilz das Entwicklungsprogramm von Mais verändert. Die
      Interaktion zwischen Mais und S. reilianum wurde von beiden
      Seiten untersucht. Auf der Seite der Maispflanze wurden die
      induzierten Veränderungen in Bezug auf Transkription,
      Hormongehalt und Konzentration der reaktiven
      Sauerstoffspezies (ROS) untersucht. Morphologische Studien
      zeigten, dass eine Infektion mit S. reilianum den subapikalen
      Auswuchs von Kolben förderte, welches darauf hindeutete, dass
      die Anwesenheit des Pilzes die Apikaldominanz unterdrückt.
      Eine Kolonisierung mit S. reilianum führte außerdem zu einem
      Anstieg der Zytokinin- und Auxingesamtkonzentrationen im
      Blütenstand und zu einer Akkumulation von ROS, was die
      Unterdrückung der Apikaldominanz erklären könnte. Ferner
      führte eine Infektion mit S. reilianum zum Verlust der
      Identität der Blütenorgane und des Meristems, sowie zum
      Verlust der Meristem-Determinanz. Microarray-Analysen
      zeigten, dass diese Entwicklungsveränderungen von einer
      transkriptionellen Regulation von Genen begleitet waren, die
      für bekannte oder postulierte Regulatoren der Identität der
      Blütenorgane und des Meristems sowie der Meristem-Determinanz
      kodieren. Auf der Seite von S. reilianum wurden
      Genomvergleiche mit den eng verwandten Brandpilzen Ustilago
      maydis und Ustilago hordei durchgeführt, um potentielle
      Genkandidaten zu identifizieren die für die Symptomausbildung
      oder Virulenz auf Mais verantwortlich sind. Eine funktionelle
      Charakterisierung der Kandidaten zeigte, dass die Deletion
      von dicer nicht zu einer Veränderung der Virulenz oder der
      Stressresistenz führte. Weiterhin wurden Gene mit Avirulenz-
      (sr10057, sr10060, sruni1 und sruni2) und mit
      Virulenzfunktion (clusters 19A, cluster 5-1uni und sruni5)
      identifiziert. Cluster 19A3 scheint Faktoren zur
      Unterdrückung der Blattalterung zu kodieren, da seine
      Deletion das verfrühte Sterben der Spitzen infizierter
      Blätter auslöste. Weiterhin erfüllte vag1 Virulenzfunktionen
      in Blättern und Avirulenzfunktionen in Nodien. Zwei Gene,
      sad1 und sad2, zeigten eine Beteiligung an der Unterdrückung
      der Apikaldominanz. SAD1 und VAG1 werden im Blatt
      proteolytisch abgebaut. Nach Expression in Pflanzenzellen
      lokalisierte SAD1 im Zellkern und im Zytoplasma und
      interagierte mit dem Effektor MIG1 sowie mit
      Pflanzenproteinen, welche vermutlich an der Ubiquitinierung,
      an Kernfunktionen und an Signalprozessen beteiligt sind.
      Diese Interaktionspartner könnten den Mechanismus des
      organspezifischen Abbaus von SAD1 und die Rolle von SAD1 in
      der Unterdrückung der Apikaldominanz erklären. Somit konnte
      eine molekulare Verbindung zwischen spezifischen Effektoren
      von S. reilianum und induzierten Entwicklungsveränderungen im
      Wirt etabliert werden.
description: Sporisorium reilianum causes head
      smut disease on maize. Symptoms of S. reilianum become
      obvious when the fungus forms spores and induces phyllody in
      the inflorescences. This study aimed to provide an
      understanding of how S. reilianum changes the developmental
      program of maize, and to identify and characterize symptom
      and virulence determinants of the pathogen. The maize-S.
      reilianum interaction was approached from both sides. From
      the side of maize, the induced alterations on morphology,
      transcription, hormone level and concentration of reactive
      oxygen species (ROS) were investigated. Morphological
      analysis showed that S. reilianum infection promoted
      outgrowth of subapical ears suggesting that fungal presence
      suppressed apical dominance. S. reilianum colonization also
      led to an increase in the total cytokinin and auxin content
      of the inflorescence and an accumulation of ROS that could
      explain suppression of apical dominance. Furthermore, S.
      reilianum infection triggered loss of floral organ and
      meristem identities, and loss of meristem determinacy.
      Microarray analysis showed that these developmental changes
      were accompanied with transcriptional regulation of genes
      known or proposed to regulate floral organ and meristem
      identities, and meristem determinacy in maize. From the side
      of S. reilianum, genome comparison with the closely related
      smuts Ustilago maydis and Ustilago hordei was performed to
      predict potential candidate genes with function in symptom
      formation or virulence on maize. Functional characterization
      of the candidates showed that deletion of dicer did not lead
      to changes in virulence or in the mutant behavior in response
      to different stresses. In addition, genes with avirulence
      functions (sr10057, sr10060, sruni1 and sruni2) and those
      with virulence functions (clusters 19A, cluster 5-1uni and
      sruni5) were identified. Cluster 19A3 was suggested to encode
      leaf senescence inhibitors, since its deletion triggered leaf
      tip death. Additionally, vag1 fulfilled avirulence and
      virulence functions in leaves and nodes, respectively. Two
      genes, sad1 and sad2 showed involvement in suppression of
      apical dominance. SAD1 and VAG1 were degraded in a
      leaf-specific manner. SAD1 localized to the nucleus and the
      cytoplasm when expressed in plant cells and, interacted with
      the effector MIG1 and plant proteins involved in
      ubiquitination, nuclear functions and signaling. These
      interaction partners could shape the mechanism of
      tissue-specific degradation of SAD1 and the role of SAD1 in
      suppression of apical dominance. Hence, a molecular link
      could be established between specific effectors of S.
      reilianum and induced developmental changes in the
      host.