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Identification, molecular characterization and analysis of the role of MORC gene family in disease resistance mechanisms to biotrophic and necrotrophic fungi in barley

Analyse der Beteiligung der MORC Proteinfamilie an Resistenz-Mechanismen in mono- und dikotylen Pflanzen

Pai, Subhash Balakrishnan


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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-111905
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2014/11190/

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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Phytopathologie und Angewandte Zoologie
Fachgebiet: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 13.11.2014
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 19.11.2014
Kurzfassung auf Englisch: World agriculture today faces many challenges owing to global climate change and aberrant
weather phenomenon. A concomitant result of this abiotic change has been the spread and
increase of plant diseases and associated disease causing agents that has put world food
security under serious threat, especially in developing countries. Under these challenging
circumstances, alternatives to conventional crop protection strategies have gained worldwide
attention in recent years. Our study here highlights one such strategy that depends on MORC
gene family which is widely distributed throughout eukaryotes and in many plant species.
Altered expression of MORCs affected plant resistance to pathogens wherein overexpression
of HvMORC1 increased susceptibility to barley powdery mildew and RNAi-mediated
silencing of HvMORC2 resulted in enhanced resistance to this biotrophic pathogen.
Additionally, HvMORC2 silencing also confers basal resistance to necrotrophic pathogen
Fusarium graminearum; a finding which might have interesting agricultural applications as it
is considered to be a devastating cereal pathogen and robust broad spectrum resistance
against Fusarium diseases are yet to be identified. The HvMORC protein is described to
reside in the nucleus and is shown to have interesting biochemical properties such as DNA
binding and endonuclease activity further fuelling speculation that MORCs have an important
nuclear role such as chromatin remodelling that might contribute to different phenotypes
observed. Finally, barley MORCs have contrasting function to their Arabidopsis counterparts.
Even though they are closely related proteins with very similar structural domains and
enzymatic properties, the Arabidopsis MORC seems to act as a positive regulator of plant
defense mechanisms while barley MORC has a negative regulatory role in plant immunity.
What is even more interesting, they failed to complement each other‘s function when
expressed in reciprocal systems and retained their functions despite change in biological
system and their biochemical environment. These results let us speculate that the contrasting
effects observed are species specific and might be the properties of the proteins themselves.
A further, detailed molecular and biochemical analysis of these genes might offer a brighter
insight into this exciting topic. Nevertheless, the MORC gene family has tremendous
potential for agricultural applications as they have also been identified in other important
cereal crops like rice, wheat (Triticum aestivum) and maize (Zea mays) a staple for about
three quarter of world‘s population. Studies in some of the other plant systems would add
valuable information to our current understanding of MORCs and help engineer resistance in
economically important crop plants.
Kurzfassung auf Deutsch: Weltlandwirtschaft heute steht vor vielen Herausforderungen durch den globalen
Klimawandel und anomale Wetterphänomen. Eine gleichzeitige Ergebnis dieser abiotischen
Veränderung war die Ausbreitung und Zunahme von Pflanzenkrankheiten und die damit
verbundenen Krankheitserreger, die Welternährungssicherheit ernsthaft bedroht gesetzt hat,
vor allem in Entwicklungsländern. Unter diesen schwierigen Umständen haben Alternativen
zu herkömmlichen Pflanzenschutzstrategien weltweite Aufmerksamkeit in den letzten Jahren
an Bedeutung gewonnen. Unsere Studie unterstreicht hier eine solche Strategie, die auf
MORC Gen-Familie, die überall in Eukaryonten und in vielen Pflanzenarten verteilt wird,
hängt. Veränderte Expression von MORCs betroffen Pflanze Resistenz gegen
Krankheitserreger, bei Überexpression von HvMORC1 erhöhte Anfälligkeit für
Gerstenmehltau und RNAi-vermittelte Silencing HvMORC2 zu einer verstärkten Widerstand
gegen diese Erreger biotrophe. Darüber hinaus räumt HvMORC2 Silencing auch basalen
Resistenz gegen Fusarium graminearum nekrotrophe Erreger; eine Feststellung, die
interessante Anwendungen in der Landwirtschaft haben könnte, da sie als zu einer
verheerenden Getreide Erreger und robuste breites Spektrum Widerstand gegen Fusarium
Krankheiten werden noch identifiziert werden können. Die HvMORC Protein beschrieben im
Kern befinden und dargestellt interessante biochemische Eigenschaften, wie die DNABindung
und Endonuclease-Aktivität weiter zu Spekulationen, die MORCs eine wichtige
Rolle Kern wie Chromatin-Remodeling, die zu verschiedenen beobachteten Phänotypen
beitragen könnten. Schließlich, Gerste MORCs haben kontras Funktion, ihre Arabidopsis
Kollegen. Auch wenn sie eng verwandten Proteinen mit sehr ähnlichen strukturellen
Domänen und enzymatische Eigenschaften scheint die Arabidopsis MORC als positiver
Regulator der pflanzlichen Abwehrmechanismen handeln, während Gerste MORC hat eine
negative regulatorische Rolle in der Pflanzen Immunität. Was noch interessanter ist, konnten
sie sich gegenseitig ergänzen, wenn Funktion im reziproken Systemen exprimiert und trotz
Veränderung der biologischen Systems und ihrer biochemischen Umwelt behielten ihre
Funktionen. Diese Ergebnisse lassen vermuten wir, dass die beobachteten Effekte kontras
artspezifisch sind und möglicherweise die Eigenschaften der Proteine selbst zu sein. Eine
weitere, detaillierte molekulare und biochemische Analyse dieser Gene könnte bieten eine
bessere Einsicht in dieses spannende Thema. Dennoch hat die MORC-Gen-Familie ein
enormes Potenzial für Anwendungen in der Landwirtschaft, wie sie auch in anderen
wichtigen Getreide wie Reis, Weizen (Triticum aestivum) und Mais identifiziert worden (Zea
80
Mays) ein Grundnahrungsmittel für rund drei Viertel der Weltbevölkerung. Studien in einige
der anderen Anlagensystemen würde wertvolle Informationen für unser gegenwärtiges
Verständnis der MORCs hinzufügen und helfen Ingenieur Widerstand in wirtschaftlich
bedeutenden Kulturpflanzen.
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