Transkriptomanalyse mehltaubefallener Gerstenepidermis in Abhängigkeit des mlo-Resistenzgenes

Abstract

Die pflanzliche Epidermis ist von grundlegender Bedeutung für die Wirts- und Nichtwirts-Abwehr einer großen Anzahl von Pilzkrankheiten, einschließlich des Gerstenmehltaus, der durch Blumeria graminis (DC.) E.O. Speer f.sp. hordei verursacht wird. Um die Mecha-nismen in der Epidermis, die letzlich zu Anfälligkeit oder dauerhafter Resistenz führen, besser zu verstehen, wurde das Transkriptom der isogenen Linien Ingrid Mlo (anfällig) und Ingrid BC mlo5 (resistent) charakterisiert. Ein cDNA-Array, der mit 3.136 Genen die mRNA-Population der Epidermis mehltaugestresster resistenter Gerste (Ingrid BC mlo5) repräsentiert, wurde erstellt und mit cDNA-Sonden aus inokulierter und nichtinokulierter Sprossepidermis beider isogener Linien hybridisiert. 233 differentiell exprimierte Gene wurden bei dem Vergleich von Kontrolle und inokulierter Epidermis gefunden, von denen 26 Gene pilzlichen Ursprungs waren. Die pflanzlichen Gene des Kandidatengensets wurden bevorzugt in der Epidermis reguliert, wie aus split-sample Experimenten hervorging. Transkripte der meisten abwehrkorrelierten Gene akkumulierten in Anwesenheit des mlo5 Resistenzgenes stärker als in der anfälligen Interaktion. Dies deutet darauf hin, das die mlo-vermittelte Resistenz auf einem komplexen Abwehrmechanismus beruht. Möglicherweise lässt sich damit auch die Dauerhaftigkeit der mlo-vermittelten Resistenz im Feld erklären. Das ermittelte Kanditatengenset von in der Epidermis exprimierten Genen stellt eine wertvolle Ressource für nachfolgende Studien von Abwehrmechanismen der Pflanze im Allgemeinen und für die Untersuchung der molekularen Mechanismen der mlo-vermittelten-Resistenz im Speziellen dar. Das gesamte Kandidatengenset wurde in einem systematischen TIGS-Screening (Transient Induced Gene Silencing) getestet, wobei ein Gen gefunden wurde, welches die Resistenz der vollständig resistenten Gerstenlinie Ingrid BC mlo5 durchbricht. Hierbei handelt es sich um das am Vesikeltransport beteiligte t-SNARE-Protein HvSNAP34. In ersten weiterführenden Exprimenten wurden einzelne in mlo5 stärker exprimierte Kandidatengene auf ihre mögliche Funktion im Resistenzmechanismus untersucht. Die Glutamat-Decarboxylase als Schlüsselenzym der GABA-Synthese ist ein solches Kandi-datengen. GABA-Konzentrationen wurden gemessen und Resistenzinduktionsexperimente durchgeführt. Die Daten deuten darauf hin, dass GABA möglicherweise eine Rolle bei der anaplerotischen Reaktion, nicht aber bei der Signaltransduktion in der Zelle, spielt.

The shoot epidermis of plants is of prime importance for host and nonhost defence against a large number of fungal diseases including powdery mildew of barley, caused by Blumeria graminis (DC.) E.O. Speer f.sp. hordei. In order to better understand mechanisms within the epidermis leading to susceptibility as well as durable host resistance, we characterized the transcriptome of two Blumeria-attacked, near isogenic barley lines differing in the presence of the mlo5 resistance gene. A cDNA array from epidermal tissue of pathogen-attacked resistant barley plants was established containing 3.136 unique sequences that was then hybridized with cDNA probes from pathogen-challenged epidermis. Expression analysis resulted in the identification of 233 candidate genes that were differentially expressed in a reproducible manner in control and inoculated epidermis. Among the upregulated genes 26 of fungal origin were found. Split-sample-experiments revealed a bias for expression of defence-related genes in the epidermis. Transcripts of many defence-related genes accumulated to higher levels in the presence of the mlo5 resistance gene, as compared to a susceptible interaction. This suggests that mlo-mediated resistance is based on multiple defence mechanisms leading to durable resistance even under field conditions. The identified set of epidermally expressed host genes represents a valuable resource for further studies of plant defence mechanisms in general and especially the molecular mechanisms involved in mlo mediated resistance. TIGS (transient induced gene silencing) approaches were used for candidate genes in order to identify genes which are essentially responsible for mlo-resistance. HvSNAP34 was identified as a first candidate leading to the offset of resistance in Ingrid BC mlo5 in the silencing approach. HvSNAP34 encodes a vesicel trafficking associated t-SNARE protein. Further experiments to elucidate the functional relevance of interesting candidate genes in this plant pathogen interaction were initiated. In the context of these analyses glutamate decarboxylase producing γ-aminobutyric acid was found to be induced in epidermal tissue. Therefore we measured γ-aminobutyric acid concentrations and carried out resistance induction experiments. The data suggest a possible role of γ-aminobutyric acid in the anaplerotic reaction rather than in signal transduction.