Genomweite Analyse der Zellschicht-spezifischen Expression Pathogen-induzierter Gene in der Arabidopsis Wurzel

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Dröge-Laser
• Fachliche Zuordnung: Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 226284840

Obwohl Pflanzenwurzeln mit einer Vielzahl von Mikroorganismen (MO) in engem Kontakt stehen, sind induzierbare Abwehrreaktionen gegen Pathogene bisher kaum beschrieben. Der Wurzelaufbau, charakterisiert durch seine konzentrischen Zellschichten, lässt vermuten, dass diese Schichten durch spezifische Programme einen Beitrag zur Pathogenabwehr leisten. In diesem Projekt wurde für die Modellpflanze Arabidopsis eine TRAPseq Methodik (Translating Ribosome Affinity Purification by RNAsequencing) etabliert, um zellschichtspezifische Antworten auf Infektionen mit verschiedenartigen MO zu analysieren. Durch Expression von zelltypspezifisch exprimierten FLAG-markierten Ribosomen lassen sich Ribosom/RNA-Komplexe durch Co-Immunopräzipitation isolieren und zellschicht-spezifische Expressionsmuster mittels RNAseq identifizieren. Zum Vergleich von Wurzelantworten wurden Infektionsstudien mit Pilzen bzw. Oomyzeten durchgeführt, die sich in ihrem Infektionsverhalten deutlich unterscheiden. (1) Phytophthora parasitica wechselt nach einer frühen biotrophen in eine anschließende nekrotrophe Phase. (2) Verticillium longisporum durchwächst die Wurzelschichten bis zum Xylem, wo es als biotrophes, vaskuläres Pathogen lebt, um später die Blattrosette zu befallen. (3) Piriformospora indica kolonialisiert als endophytischer Mutualist den Cortex und fördert pflanzliches Wachstum sowie Pathogenabwehr. Für alle Interaktionen wurden zellschichtspezifische TRAPseq Daten erhoben und bioinformatische Auswerteverfahren etabliert. Unsere Hypothese wurde bestätigt, da für die verschiedenen Zellschichten spezifische Expressionsantworten identifiziert werden konnten, die von den MO und deren Infektionsverhalten abhängig waren. Es konnte z. B. eine zellschichtspezifische Expression von Genen der Biosynthese Tryptophan-abgeleiteter antimikrobieller Metaboliten, die lokale Expression von Hormonbiosynthese- bzw. Signaltransduktionsgenen und eine Expression zur Verstärkung der Endodermis in ihrer Barrierefunktion nachgewiesen werden. Nach Infektion mit P. indica ließen sich zellschichtspezifische Expressionsänderungen in Genen des Nährstofftransports beobachten, was die mutualistischen Eigenschaften des Pilzes erklären könnte. Demgegenüber führten nur Pathogene zur Repression von Zellzyklusgenen und reduziertem Wurzelwachstum. In dieser Projektverlängerung wird eine Kurzzeitförderung zur Komplettierung der Datensätze durch Analyse eines weiteren Infektionszeitpunkts für die untersuchten MO beantragt. Die Analyse der komplexen Datensätze erlaubt es, Hypothesen aufzustellen und experimentell zu prüfen, um das Verständnis dieser landwirtschaftlich höchst relevanten Interaktionen in der Rhizosphäre zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen