title: The role of programmed cell death during epidermal resistance of barley
title: Die Rolle von programmiertem Zelltod in der epidermalen Resistenz von Gerste
Creators: name: Hof, Alexander
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: Effektor, Autophagie
effector, autophagy
Pflanzenpathogen
Gerste
Ustilago , Resistenz
Zelltod
plant pathogen
apoptosis-like cell death
Apoptose-ähnlicher Zelltod
Biowissenschaften, Biologie

description: Ustilago hordei is the causative
      agent of covered smut on barley and oat. This basidiomycetous
      fungus establishes a biotrophic interaction with its host
      plant and therefore relies on a great variety of secreted
      effector proteins in order to cope with plant defense
      responses. This particularly implies the avoidance of host
      cell death reactions. Deletion mutants of the secreted
      effector Pep1 are blocked in epidermal penetration and elicit
      various plant defense responses, eventually leading to death
      of the invaded cell. The virulence factor Pep1 is
      functionally conserved in the corn smut pathogen Ustilago
      maydis and was recently shown to directly interact with
      apoplastic peroxidases, thus inhibiting the PAMP-triggered
      oxidative burst. Barley infections with the incompatible
      non-host pathogen U. maydis also result in epidermal cell
      death, which is similar to the hypersensitive response (HR).
      This study concentrates on molecular and cellular processes
      determining compatibility and incompatibility in different
      Ustilago/barley-interactions. Based on transcriptional
      analyses of U. hordei genes involved in compatible and
      incompatible plant interactions, 18 candidate genes were
      selected and further analyzed for a potential role during
      host colonization. So far, preliminary results point towards
      a virulenz function of five candidates. In the second part of
      this study cellular responses of barley were investigated,
      comparing the compatible U. hordei-interaction with responses
      during incompatibility caused by the non-host pathogen U.
      maydis as well as U. hordei and U. maydis pep1 mutants.
      Although incompatibility leads to programmed cell death
      respectively, a combination of live cell imaging techniques,
      an enzymatic activity assay and infections of transgenic
      plants overexpressing Bax Inhibitor-1 (BI-1) enabled the
      differentiation of two distinct pathways. While cell death
      responses towards pep1 mutants involve autophagy, non-host
      reactions after U. maydis infection trigger BI-1-dependent
      apoptosis-like cell death. These data sets were supported by
      transmission electron microscopy. Additionally, by evaluating
      H2O2 contents in apoplastic fluid and the transcriptional
      regulation of typical HR-associated marker genes, it became
      apparent that a HR is only caused by U. maydis infections,
      whereas infections by pep1 mutants result in basal defense
      and PAMP-tiggered immunity. Therefore it was shown, that
      different cell death mechanisms determine resistance of
      barley in host and non-host interactions.
description: Ustilago hordei ist der Erreger von
      Hartbrand bei Gerste und Hafer. Um pflanzlichen
      Abwehrreaktionen entgegenzuwirken ist dieser basidiomycete
      Brandpilz zur Etablierung einer biotrophen Interaktion mit
      seiner Wirtspflanze auf eine Vielzahl sekretierter
      Effektor-proteine angewiesen, wobei der Unterdrückung von
      programmiertem Zelltod eine besondere Rolle zu kommt.
      Deletionsmutanten für den sekretierten Effektor Pep1 sind
      hingegen nicht in der Lage die Epidermis zu penetrieren und
      verursachen zahlreiche Abwehrreaktionen, welche im
      programmierten Zelltod der attackierten Pflanzenzelle
      resultieren. Im Maispathogen Ustilago maydis ist der
      Virulenzfaktor Pep1 funktionell konserviert und inhibiert den
      PAMP-vermittelten ‚oxidative burst’ durch direkte Interaktion
      mit apoplastischen Peroxidasen. Infektionen von Gerste mit
      dem inkompatiblen Nicht-Wirt-Pathogen U. maydis führen
      ebenfalls zu epidermalem Zelltod, ähnlich einer
      hypersensitiven Antwort (HR; hypersensitive response). Diese
      Arbeit beschäftigt sich mit den molekularen und zellulären
      Prozessen in kompatiblen und inkompatiblen
      Ustilago/Gerste-Interaktionen. Anhand einer U. hordei
      Transkriptomanalyse während kompatiblen sowie inkompatiblen
      Interaktionen wurden 18 Kandidatengene ausgewählt, die auf
      eine Rolle während der Wirtsbesiedelung untersucht werden
      sollten. Vorläufige Ergebnisse zeigen bislang fünf Kandidaten
      mit einer möglichen Virulenzfunktion. Im zweiten Teil der
      Arbeit wurden die zellulären Reaktionen bei Gerste während
      Ustilago-Interaktionen untersucht. Hier wurde zwischen der
      kompatiblen Interaktion mit U. hordei und den inkompatiblen
      Interaktionen mit dem Nicht-Wirt-Pathogen U. maydis, sowie
      der U. hordei und U. maydis pep1-Mutante verglichen. Zwar
      resultiert Inkompatibilität jeweils in programmiertem
      Zelltod, mittels verschiedener Lebendzellfärbungen, einem
      enzy-matischen Aktivitätstest und Infektionen Bax Inhibitor-1
      (BI-1)-überexprimierender Pflanzen konnte jedoch zwischen
      zwei verschiedenen Zelltodarten unterschieden werden. Während
      Autophagie an Zelltod bei pep1-Infektionen beteiligt ist,
      kommt es in Abhängigkeit von BI-1 zu Apoptose-ähnlichem
      Zelltod nach U. maydis-Infektion. Dies konnte mittels
      Transmissionselektronenmikroskopie bestätigt werden.
      Zusätzlich haben die Bestimmung von Wasserstoffperoxid in
      Apoplastenflüssigkeit und die Genregulation typischer
      HR-assoziierter Marker gezeigt, dass eine HR nur duch U.
      maydis ausgelöst wird, während pep1-Infektionen in einer
      basalen, PAMP-vermittelten Immunität resultieren. Demnach
      konnte gezeigt werden, dass verschiedene Zelltodmechanismen
      die Resistenz von Gerste in Abhängigkeit des infizierenden
      Pathogens determinieren.