The Verticillium dahliae Vta3 genetic network and hydrophobins are required in tomato xylem sap for plant disease

by Isabel Maurus
Cumulative thesis
Date of Examination:2023-02-10
Date of issue:2023-03-27
Advisor:Prof. Dr. Gerhard H. Braus
Referee:Prof. Dr. Gerhard H. Braus
Referee:Prof. Dr. Volker Lipka
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9810

 

 

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Abstract

English

The ascomycete Verticillium dahliae is a pathogenic fungus for a variety of important crops and spends long phases of its life cycle in the vascular xylem system of particular host plants. Growth in this unique and nutrient-poor niche requires adaptation processes. The transcription factor Vta3 (Verticillium transcription activator of adhesion 3) is an important regulator of V. dahliae development, plant root colonization and pathogenicity. RNA sequencing of the V. dahliae wild-type strain cultured in tomato xylem sap was performed to identify genes that may be important for plant vascular colonization or disease symptom induction. The wild-type transcriptome was compared with that of the VTA3 deletion strain to identify Vta3-dependent genetic networks required for growth in natural plant xylem sap. Over 1,500 fungal transcripts were identified to be significantly more abundant in cells grown in xylem sap compared with pectin-rich medium. An intact VTA3 gene is required for wild-type transcription of over 1,000 genes. This genetic network includes candidate genes for proteins with predicted functions in virulence and morphogenesis such as Egh16-like virulence factor 1 (Elv1) or Master transcription factor 1 (Mtf1). Transcription of ELV1, which is induced in the presence of VTA3, is specifically important for virulence without affecting growth or spore production of V. dahliae. The presence of VTA3 hampers the action of Mtf1, which elicits plant immune responses and is required for the late stages of disease progression. Mtf1 promotes the formation of resting structures at the end of the infection cycle, allowing the fungus to survive in the soil and re-infect suitable host plants in the next growing season. Transcription of 85 of the identified genes was strongly induced (log2(fold change) ≥ 4) in cells grown in xylem sap. Strikingly, among these candidates are four (VDH1, VDH2, VDH4 and VDH5) of the five hydrophobin-encoding genes (VDH1-5) annotated in V. dahliae JR2. Apart from being structurally distinct from other described hydrophobins, Vdh4 and Vdh5 are specifically important for full disease development in tomato plants by acting at later stages of colonization. These properties also make Vdh4 and Vdh5 functionally unique hydrophobins, as they are simultaneously dispensable for the development of fungal structures. In conclusion, Elv1, Mtf1 and the Vdh4/5 hydrophobins were identified as important molecular factors for the late stage of disease progression in tomato plants. They all represent potential new targets to combat the spread of the pathogen V. dahliae in fields.
Keywords: Plant fungal pathogen; Fungal genetics; Gene expression; Xylem; Virulence factors; Transcriptional control; Verticillium dahliae; RNA sequencing; Hydrophobin; Microsclerotia

German

Der Schlauchpilz Verticillium dahliae ist ein Krankheitserreger für eine Vielzahl von bedeutenden Kulturpflanzen und verbringt lange Phasen seines Lebenszyklus im Gefäßsystem (Xylem) von bestimmten Wirtspflanzen. Das Wachstum in dieser einzigartigen und nährstoffarmen Nische erfordert Anpassungsprozesse. Der Transkriptionsfaktor Vta3 („Verticillium transcription activator of adhesion 3“) ist ein wichtiger Regulator für die Entwicklung von V. dahliae, die Besiedlung von Pflanzenwurzeln und die Pathogenität. Eine RNA-Sequenzierung des in Tomatenxylemsaft kultivierten V. dahliae Wildtypstammes wurde durchgeführt. So sollten Gene identifizieren werden, die für die Besiedlung der Pflanzengefäße oder die Induktion von Krankheitssymptomen wichtig sein könnten. Das Transkriptom des Wildtyps wurde mit dem des VTA3 Deletionsstamms verglichen, um Vta3- abhängige genetische Netzwerke zu identifizieren, die für das Wachstum im natürlichen Xylemsaft der Pflanze erforderlich sind. Es wurden über 1,500 Pilztranskripte identifiziert, die in Xylemsaft gewachsenen Zellen verglichen mit Pektin-reichem Medium signifikant häufiger vorkamen. Ein intaktes VTA3-Gen ist für die wildtypische Transkription von über 1,000 Genen erforderlich. Zu diesem genetischen Netzwerk gehören Kandidatengene für Proteine mit vorhergesagten Funktionen in der Virulenz und Morphogenese wie „Egh16-like virulence factor 1“ (Elv1) oder „Master transcription factor 1“ (Mtf1). Die Transkription von ELV1, die in Gegenwart von VTA3 induziert wird, ist spezifisch für die Virulenz wichtig, ohne das Wachstum oder die Sporenproduktion von V. dahliae zu beeinflussen. Das Vorhandensein von VTA3 hemmt die Wirkung von Mtf1, welches pflanzliche Immunreaktionen auslöst und für die späten Phasen der Krankheitsentwicklung erforderlich ist. Mtf1 begünstigt am Ende des Infektionszyklus die Bildung von Ruhestrukturen. Diese ermöglichen es dem Pilz im Boden zu überleben und in der nächsten Wachstumperiode geeignete Wirtspflanzen zu infizieren. Die Transkription von 85 der identifizierten Gene war in Zellen, die in Xylemsaft gewachsen waren, sehr stark induziert (log2(fold change) ≥ 4). Auffallend ist, dass sich unter diesen Kandidaten vier (VDH1, VDH2, VDH4 und VDH5) der fünf Hydrophobin-kodierenden Gene (VDH1-5) befinden, die in V. dahliae JR2 annotiert sind. Abgesehen davon, dass sie sich strukturell von anderen beschriebenen Hydrophobinen unterscheiden, sind Vdh4 und Vdh5 speziell für die vollständige Krankheitsentwicklung in Tomatenpflanzen wichtig, indem sie in späteren Stadien der Kolonisierung wirken. Diese Eigenschaften machen Vdh4 und Vdh5 auch funktionell zu einzigartigen Hydrophobinen, da sie zugleich für die Entwicklung von Pilzstrukturen entbehrlich sind. Zusammenfassend wurden Elv1, Mtf1 und die Vdh4/5 Hydrophobine als wichtige molekulare Faktoren für das fortgeschrittene Stadium der Krankheitsentwicklung bei Tomatenpflanzen identifiziert. Sie alle stellen potenzielle neue Angriffspunkte dar, um die Ausbreitung des Erregers V. dahliae auf Feldern zu bekämpfen.
 
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