Identifizierung und Charakterisierung systemisch responsiver Gene der Kartoffel (Solanum tuberosum L.) nach Inokulation mit dem nichtpathogenen Bakterium Pseudomonas syringae pv. maculicola

Abstract

Kartoffelpflanzen reagieren auf Inokkulation mit den nichtpathogenen Bakterien Pseudomonas syringae pv. maculicola mit der Ausbildung von Nekrosen und der Aktivierung von sogenannten pr-Genen. Gleichzeitig kommt es zu einer Erhöhung der Resistenz gegen nachfolgende Infektionen mit dem auf Kartoffel pathogenen Oomyceten Phytophthora infestans, die mit der Aktivierung von SAR-Genen (systemisch aktivierte Resistenz) einhergeht. Ziel dieser Arbeit war es, Gene zu identifizieren, die zu sehr frühen Zeitpunkten nach Bakterieninfiltration aktiviert werden und somit an der Signaltransduktion der systemischen Resistenz beteiligt sein könnten. Mit der Methode des Differential Display waren wir in der Lage eine Reihe von Genen zu isolieren, von denen hier zwei näher charakterisiert wurden. Das systemisch responsive Gen 3 (sre 3) wird bereits nach 6 h systemisch aktiviert. Es ist ein Gen mit geringer Kopienzahl im Kartoffelgenom und weist eine sehr komplexe genomische Struktur auf. Das Gen sre 4 ist ebenfalls früh nach Bakterieninfiltration aktiviert und zeigt außerdem eine Erhöhung der Transkriptmengen nach Behandlung mit Salizylat, Abszisinsäure, Verwundung, osmotischem- und Trockenstress, nicht jedoch nach Behandlung mit Methyljasmonat oder Ethylen. Diese Reaktionen auf Umwelteinflüsse spiegeln sich auch in den gefundenen konservierten Elementen im 5´-Promotorbereich des Gens wider. Das Gen kodiert für mindestens vier Transkripte, dessen Hauptprodukt ein Protein von 166 Aminosäureresten kodiert. Die N-terminale Hälfte dieses Proteins zeigt deutliche Sequenz- und Strukturhomologien zu RNA-Bindungsdomänen, die auch in Proteinen gefunden wurden, für die eine Funktion bei der Transkriptionsregulation beschrieben wurde. Diese Daten geben Hinweise darauf, dass dieses Protein an der Regulation der Resistenzausprägung beteiligt sein könnte. Ein weiteres von Catherine Kistner isoliertes Gen - sre 2 - wurde unter der Kontrolle eines starken konstitutiven Promotors in Kartoffelpflanzen in sense- und antisense-Orientierung exprimiert. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Nekrosenbildung in sense-Linien verzögert auftritt, während das Bakterienwachstum im Vergleich zum Wildtyp in antisense-Pflanzen deutlich reduziert ist, so dass es sich bei dem sre 2-Genprodukt um einen negativen Regulator der Pflanzenabwehr handeln könnte.

Potato plants respond to inocculation with the nonpathogenic bacteria Pseudomonas syringae pv. maculicola with locally restricted necrotic lesions and the induction of pathogenesis-related (pr) genes. By an unknown mechanism the whole plant becomes more resistant to challenge inocculation with the pathogenic oomycete Phytophthora infestans which correlates with a systemic induction of pr-genes. The aim of this work was to identify genes early induced in systemic tissues that might be involved in the signal transduction process leading to systemic acquired resistance. By using the Differential Display technique (DDRT-PCR) we were able to isolate a couple of those genes and characterised two of them further.The DDRT-PCR fragment sre 3 is early activated after bacterial infiltration and corresponds to a low copy gene with a complex genomic structure. The fragment sre 4 is highly homologous to glycine rich genes from other species, is also a low copy gene in potato and is activated 6 h after inocculation in systemic tissues. The transcript level increases after treatment with salicylic acid, abscisic acid, wounding, drought and osmotic stress but not after methyl jasmonate or ethylene treatment. The promoter of sre 4 contains elements which are able to mediate these stress responses and in addition a W-Box which is suggested to be involved in systemic pathogen response. It codes for at least four transcripts. The main transcript codes for a 166 amino acid residue peptide. The N-terminal half shows high sequence and structural homology to RNA-binding domains. These data give hinds that this protein might be involved in the regulation process leading to systemic acquired resistance. Another gene identified by Catherine Kistner - sre 2 - was expressed in potato plants in sense- and antisense-orientation to find out if it is involved in pathogen defence or systemic acquired resistance. First results show that the necrosis phenotype after bacterial infiltration is delayed in overexpressing transgenic plants and that the growth of the bacteria is reduced in antisense-lines leading to the conclusion that this gene might be a negative regulator of defence responses in potato.