Interactions of Medicago truncatula with soil-borne microbes : role of MtTPS10 in defense against the root pathogen Aphanomyces euteiches

Abstract

In der Natur leben Pflanzen in komplexen Gemeinschaften mit nützlichen und pathogenen Organismen. Im Laufe der Evolution entwickelten Pflanzen verschiedene Mechanismen, um Nützlinge auszuwählen und Krankheitserreger zu vermeiden. In dieser Arbeit verwendeten wir Medicago truncatula als Modellsystem und untersuchten seine frühen Reaktionen auf eine Infektion mit dem Oomycetenpathogen Aphanomyces euteiches. Eine Transkriptomanalyse von Wurzeln, die für zwei Stunden mit den pathogenen Zoosporen infiziert wurden, ergab eine mutmaßliche Terpensynthase (TPS10). Das MtTPS10-kodierende Gen wurde spezifisch in Wurzeln nach Infektion durch Oomyceten exprimiert, jedoch nicht durch pathogene oder symbiotische Pilze. Die Expression von MtTPS10 in Hefe identifizierte das Enzym als Sesquiterpensynthase mit mehreren Produkten. Die in planta Produkte von TPS10 wurden durch das Auffangen der Volatile von Wurzeln einer tps10-Mutante und Wildtyp-Pflanzen 12 Stunden nach der Infektion identifiziert. Die phänotypische Analyse von infizierten tps10-Mutantenpflanzen zeigte im Vergleich zu Wildtyppflanzen ein verringertes Wachstum. Darüber hinaus hatten Sesquiterpene, die durch TPS10-Expression in Hefe produziert wurden, eine hemmende Wirkung auf das Myzelwachstum und die Keimung der Zoosporen von A. euteiches. Zusammenfassend konnten wir eine Multiprodukt-Sesquiterpensynthase aus M. truncatula identifizieren, die eine Abwehrfunktion in Wurzeln gegen A. euteiches aufweist.

In nature, plants live in complex communities with beneficial and pathogenic organisms. During evolution, plants have developed various mechanisms for selecting the beneficial ones and evading away the pathogens. In this work, we used Medicago truncatula as a model system and studied its early responses to infection with the oomycete pathogen Aphanomyces euteiches. Transcriptomics performed on roots infected with the pathogenic zoospores for two hours revealed a putative terpene synthase (TPS10). The MtTPS10-encoding gene was expressed specifically in roots upon infection by oomycetes, but not by pathogenic or symbiotic fungi. Expression of MtTPS10 in yeast identified the enzyme as a multi-product sesquiterpene synthase. In planta products of TPS10 were identified by collecting volatiles from roots of a tps10 mutant and wild type plants 12 hours after infection. Phenotypic analysis of tps10 mutant plants showed reduced growth after infection compared to wild type plants. Moreover, sesquiterpenes produced by TPS10 expression in yeast had inhibitory effects on A. euteiches mycelial growth and zoospore germination. In conclusion, we identified a multi-product sesquiterpene synthase from M. truncatula having a defense function in roots against A. euteiches.