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Chemisch Induzierte Resistenz im Pathosystem Gerste - Echter Gerstenmehltau : Identifizierung und Charakterisierung differentiell exprimierter Gene der Gerste

Beßer, Katrin


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Freie Schlagwörter (Deutsch): Gerste , Gerstenmehltau , Resistenz
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Phytopathologie und Angewandte Zoologie
Fachgebiet: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 28.05.2001
Erstellungsjahr: 2001
Publikationsdatum: 23.08.2001
Kurzfassung auf Deutsch: Die Applikation von Salicylsäure (SA) und den synthetischen Analoga 2,6-Dichlorisonikotinsäure (DCINA) und
Benzo(1,2,3)thiadiazol-7-carbothionsäure-S-methylester (BTH) führt in anfälligen Gerstensorten zu einem systemischen Schutz vor einer
Infektion mit dem Erreger des Echten Gerstenmehltaus (Blumeria graminis f.sp. hordei, Bgh). Bei dieser chemisch Induzierten Resistenz
(cIR) werden effektive Papillen und eine Hypersensitive Reaktion als Abwehrmechanismen nach Kontakt mit dem Pathogen verstärkt
gebildet.


In dieser Arbeit wurden verschiedene chemische und biotische Faktoren auf ihre resistenzinduzierende Wirkung überprüft. Es zeigte sich,
dass die chemische Resistenzinduktion in der anfälligen Gerstensorte Manchuria, die kein bekanntes Resistenzgen besitzt, wirksam ist.
Eine biotische Induktion der Resistenz gegenüber Bgh durch den avirulenten Echten Weizenmehltaupilz war dagegen in Manchuria nicht
möglich.


In einer molekularbiologischen Analyse der cIR wurden durch Suppressive Subtraktionshybridisierung Gene identifiziert, die nach
Applikation chemischer Resistenzinduktoren differentiell exprimiert werden. Einige dieser Bci-Gene (barley chemically induced) waren in
Gerste bereits als durch DCINA induzierbar bekannt, wie Lipoxygenase (Bci-1) und Thionin (Bci-2). Andere waren in Gerste bislang
unbekannt und zeigen Homologie zu sauren Phosphatasen (Bci-3, Bci-6), zu Ca2+-bindenden single EF-hand-Proteinen (Bci-4), zu
Serin-Proteinaseinhibitoren (Bci-7) und zu Apyrasen (Bci-9).


Die Überprüfung der Geninduktion durch verschiedene abiotische und biotische Faktoren wie Phytohormone, Verwundung und Pathogene
wurde zur Charakterisierung der Gene eingesetzt. Es stellte sich heraus, dass einige der Bci-Gene über verschiedene Signalwege der
Pflanze induzierbar sind. In Übereinstimmung mit der im Vergleich zu BTH und DCINA schwächeren Resistenzinduktion gegenüber Bgh
durch SA zeigte sich, dass auch die Induktion der Bci-Genexpression und insbesondere die von Bci-4 nach SA-Applikation schwächer
war. Homologe von Bci-4 und anderen Bci-Genen waren in Weizen nachweisbar und dort ebenfalls chemisch induzierbar.


Die Ergebnisse der Geninduktionsanalysen weisen darauf hin, dass sich besonders BCI-4 für den Einsatz als verlässlicher Marker der cIR
in Getreide eignet. Ein BCI-4-Fusionsprotein mit dem grün fluoreszierenden Protein (GFP) als Reporter wurde in intakten
Zwiebelepidermiszellen überexprimiert, wobei die subzelluläre Verteilung der GFP-Fluoreszenz auf eine Lokalisierung von BCI-4 im ER
hindeutet. In einer Funktionsanalyse von BCI-4 konnte die Überexpression in Epidermiszellen anfälliger Gerstensorten die Resistenz
gegenüber Bgh erhöhen. Damit stellt BCI-4 möglicherweise ein regulatorisches Element des Signaltransduktionsweges der cIR dar, das
ausreicht, um Gerstenzellen in einen erhöhten Resistenzzustand zu versetzen.
Kurzfassung auf Englisch: Application of salicylic acid (SA) and its synthetic mimicks 2,6-dichloroisonicotinic acid (DCINA) and benzo(1,2,3)thiadiazole-7-carbothioic
acid S-methyl ester (BTH) protect susceptible barley plants systemically against infection with the powdery mildew fungus (Blumeria
graminis f.sp. hordei, Bgh). Expression of chemically Induced Resistance (cIR) is associated with plant defense mechanisms that result in
effective papilla formation and a hypersensitive response upon contact with the pathogen.


In this study, different chemical and biotic factors were tested for their resistance inducing capacity. It was shown that chemical induction of
resistance is efficient in Manchuria, though the cultivar does not bear any known resistance gene. In contrast, biotically Induced Resistance
against Bgh with the non-host pathogen wheat powdery mildew fungus was not effective.


Molecular analysis of cIR in barley using suppressive substraction hybridisation led to identification of genes that were differentially
expressed upon application of chemical resistance inducers. Some of these Bci genes (barley chemically induced) coding for a
lipoxygenase (Bci-1) and a thionin (Bci-2) were already known to be DCINA inducible, whereas others are newly described here. They
show homology to genes of acid phosphatases (Bci-3 and Bci-6), Ca2+ binding single EF-hand proteins (Bci-4), serine proteinase
inhibitors (Bci-7) and apyrases (Bci-9).


Analyses of Bci gene expression profiles upon contact with various abiotic and biotic factors like phytohormones, wounding and pathogens
were used to characterize these genes in more detail. Some of them were inducible through different signaling pathways of the plant.
Compared with DCINA and BTH, SA was shown to be a weak inducer of resistance against Bgh. This is in accordance with the weak
induction of gene expression especially regarding Bci-4.


The results of gene induction analyses indicate that BCI-4 might be useful as marker for cIR in cereals. A BCI-4 fusion with green
fluorescent protein (GFP) as reporter was overexpressed in onion epidermal cells. The subcellular distribution of GFP fluorescence
seemed to be associated with the ER. In a functional gene analysis, resistance against Bgh was enhanced in susceptible barley by
overexpressing Bci-4 in epidermal cells. Thus, BCI-4 might be a regulatory element of the signal transduction pathway leading to cIR in
barley that is sufficient to mediate an enhanced resistance status of the plants.