Analyse der Verticillium longisporum induzierten Seneszenz und Transdifferenzierung in Arabidopsis thaliana

Abstract

Verticillium longisporum (Vl43) ist ein bodenbürtiger Pilz, dessen Hauptwirt Raps ist. Vl43 infiziert die Pflanzen über die Wurzeln und breitet sich systemisch über das Leitgefäßsystem in der Pflanze aus. Es konnte in dieser Arbeit erfolgreich ein in vitro-Assay etabliert werden, der eine zellbiologische Charakterisierung der Proliferation von Verticillium in Arabidopsis Wurzeln erlaubte und der für etwaige "Mutantenscreens" verwendet werden könnte. Die Analysen zeigten, dass V. longisporum über endodermisfreie Zonen, wie zum Beispiel der Wurzelspitze, das Leitgefäßsystem besiedelte. Ansonsten wurde die Ausbreitung des Pilzes von der Endodermis in der Wurzeldifferenzierungszone blockiert. Der systemische Infektionsverlauf von Vl43 in Arabidopsis wurde weiter in den Blättern zellbiologisch analysiert und dabei konnte spezifisch in Blattgeweben ein Transdifferenzierungsphänomen beobachtet werden. Der Fokus dieser Arbeit lag auf den Symptomen der verfrühten (induzierten) Seneszenz und der beobachteten Transdifferenzierung von Bündelscheidezellen zu de novo Xylemelementen.Die Ergebnisse der Arbeit deuten an, dass V. longisporum aktiv Seneszenz induziert, um die nekrotrophe Phase des Pilzes und die Vollendung seines Lebenszyklus vorzubereiten. Es kam von frühen Zeitpunkten der Infektion an zu einer starken Reduktion der Cytokininkonzentration, die als Folge Seneszenz auslöste. Die Modifikation der Cytokinin-Homöostase wird durch erhöhte Expression der Cytokininoxidasen bewirkt, wobei der genaue Mechanismus, wie Verticillium dies steuert, weiterhin unbekannt ist. Durch pharmakologische und genetische Ansätze konnte eine Stabilisierung der Cytokinin-Homöostase erreicht werden, die zu einer deutlichen Reduktion der Vl43-induzierten Seneszenz und daraus resultierend zu einer inhibierten Proliferation des Pilzes führte. Dementsprechend liegt eine direkte Korrelation zwischen reduzierter Cytokininkonzentration und Seneszenz vor. Erstmalig konnte in dieser Arbeit ein in der Wirtspflanze stattfindender Transdifferenzierungsprozess durch Vl43-Infektion beschrieben werden. Dabei werden hauptsächlich Bündelscheidezellen de novo zu Xylemelementen umgewandelt. Die Transdifferenzierung der Bündelscheidezellen korreliert mit dem yellow vein-Symptom und ist wahrscheinlich ein Teilfaktor für den stunting-Phänotyp (verursacht durch den streckungsunfähigen Metaxylemanteil in den de novo Xylemelementen).Es konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass der genetische Mechanismus der Transdifferenzierung auf den Prozessen der natürlichen Xylementwicklung basiert, die über VNDs (NAC-Transkriptionsfaktoren) gesteuert wird. Des Weiteren wurde versucht, die biologische Relevanz für dieses Phänomen zu belegen. Dabei konnte ausgeschlossen werden, dass Verticillium die de novo Xylemelemente für eine bessere Proliferation benutzt. Die de novo gebildeten Xylemelemente könnten zur Aufrechterhaltung des Wasserhaushaltes dienen. Für die Theorie spricht die nachgewiesene Funktionalität der neugebildeten Xylem-Elemente. Auch das Ausbleiben von Welke in Vd830-infizierten Tomatenpflanzen und die Welkeerscheinungen in Vd830-infizierten Tabakpflanzen mangels starker Transdifferenzierung unterstützten die Hypothese. Allerdings führte eine Unterdrückung der Transdifferenzierung durch VND7-Repression zu keiner Welke in Arabidopsis, so dass diese Theorie durch die bisher erhaltenen Ergebnisse nicht unterstützt wird. Interessanterweise führte die Blockierung der Transdifferenzierung zu einem leicht veränderten Krankheitsbild. Die Pflanzen zeigten nach Infektion eine physiologische Zweiteilung der Rosette, wobei der source-Bereich deutlich Seneszenz aufwies, der sink-Bereich hingegen weitestgehend grün und relativ uninfiziert aussah. Dementsprechend wurde eine Hypothese aufgestellt, dass die Transdifferenzierung möglicherweise ein Prozess ist, um den Reimport von Nährstoffen in sink-Bereiche der Pflanze zu stören. Damit könnte der Pilz diese in der nekrotrophen Phase selber nutzen. Durch einen C14-Glukose Transportversuch konnten erste Hinweise auf veränderte sink-source Verhältnisse in der infizierten Pflanze erhalten werden.