Influence of clock gene homologs and Pseudomonas spp. on Verticillium dahliae development and host plant interaction

by Alexandra Nagel
Cumulative thesis
Date of Examination:2023-10-09
Date of issue:2024-08-09
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-10663

 

 

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Abstract

English

The soil-borne phytopathogenic fungus Verticillium dahliae requires a tight regulation to form different developmental structures for infection, colonization of the plant vasculature and survival in soil. The fungal life cycle starts with germinating microsclerotia. Developing hyphae grow toward plant roots and there encounter rhizosphere-inhabiting microorganisms. These include bacteria such as Pseudomonas species. The inhibitory potential and plant-protective abilities of Pseudomonas spp. with different genomic and metabolic potential against V. dahliae were investigated. Lipopeptide producing strains Pseudomonas sp. FW300-N2C3 (N2C3) and Pseudomonas sp. DF41 inhibit the growth of V. dahliae as well as Verticillium longisporum and two Aspergillus spp. when co-cultured on solid medium. The N2C3-mediated inhibition primarily depends on the genetic potential for syringomycin and, to a lesser extent, on that for syringopeptin biosynthesis. The related strain Pseudomonas sp. FW300-N2E2 (N2E2), not containing the genes for lipopeptide biosynthesis, strongly and specifically inhibits V. dahliae growth. Comparative genomics analysis revealed 18 main candidate genes, presumably encoding proteins that enable N2E2 to exhibit this strong inhibitory potential. Different Pseudomonas strains significantly reduce V. dahliae colonization on Arabidopsis thaliana roots independent of their metabolic potential. Furthermore, root-application of Pseudomonas sp. DSM 8569 (P_rhizo) robustly reduced the symptom severity of V. dahliae-treated tomato plants. Thus, P_rhizo is a potential biocontrol agent against this fungus. V. dahliae produces conidia for propagation in the vasculature of host plants. Later fungal survival in soil is ensured through formation of microsclerotia. Both developmental processes are regulated by Frequency (Frq) and the Frq-interacting RNA helicase (Frh). The V. dahliae Frq-Frh complex formation is important for enhanced conidiation and the light-dependent delay of Suppressor of flocculation 1 (Sfl1)-induced microsclerotia formation. Frq and Sfl1 together, but not individually, enhance symptom induction in V. dahliae-infected tomato plants. In conclusion, P_rhizo can contribute to biological control of Verticillium wilt disease and the Frq-Frh complex plays an important role in shaping V. dahliae development. Future investigations will identify targets of the Frq-Frh complex as well as the mode of inhibition by P_rhizo, which both might lead to novel strategies to control V. dahliae growth.
Keywords: Phytopathogenic fungus; Verticillium dahliae; Pseudomonas spp.; Fungal-bacterial interaction; Biocontrol; Clock gene homologs; Fungal development; Fungal genetics

German

Der bodenbürtige phytopathogene Pilz Verticillium dahliae erfordert eine strenge Regulation der Bildung verschiedener Entwicklungsstrukturen für die Infektion, die Besiedlung des Gefäßsystems der Wirtspflanze und das Überleben in der Erde. Der Lebenszyklus von V. dahliae beginnt mit keimenden Mikrosklerotien. Die sich entwickelnden Hyphen wachsen in Richtung der Pflanzenwurzeln und treffen dort auf in der Rhizosphäre lebende Mikroorganismen. Dazu gehören unter anderem Bakterien wie zum Beispiel Pseudomonas-Arten. Das Hemmpotenzial und die Fähigkeiten zum Pflanzenschutz von Pseudomonas Arten mit unterschiedlichem genomischen und metabolischen Potenzial gegen V. dahliae wurden untersucht. Während der gemeinsamen Kultivierung auf festem Medium hemmen die Lipopeptid produzierenden Stämme Pseudomonas sp. FW300-N2C3 (N2C3) und Pseudomonas sp. DF41 sowohl das Wachstum von V. dahliae als auch das von Verticillium longisporum und zwei Aspergillus-Arten. Die N2C3-vermittelte Hemmung hängt hauptsächlich von der genetischen Fähigkeit für die Syringomycin-Biosynthese und in geringerem Maße auch vom Vorhandensein der Gene zur Syringopeptin-Biosynthese ab. Der verwandte Stamm Pseudomonas sp. FW300-N2E2 (N2E2), der die Gene für die Lipopeptid-Biosynthese nicht enthält, hemmt das Wachstum von V. dahliae stark und spezifisch. Eine vergleichende genomische Analyse offenbarte 18 Hauptkandidatengene, die vermutlich für Proteine kodieren, die N2E2 dieses starke Hemmpotenzial verleihen. Unabhängig von ihrem metabolischen Potenzial reduzieren verschiedene Pseudomonas-Stämme die Besiedlung von Arabidopsis thaliana-Wurzeln durch V. dahliae signifikant. Des Weiteren, reduzierte die Wurzelapplikation von Pseudomonas sp. DSM 8569 (P_rhizo) die Symptomintensität von mit V. dahliae behandelten Tomatenpflanzen deutlich. Somit ist P_rhizo ein potenzielles biologisches Bekämpfungsmittel gegen V. dahliae. Im Gefäßsystem der Wirtspflanzen produziert V. dahliae Konidien zur Vermehrung und Verbreitung. Später wird das Überleben des Pilzes im Boden durch die Bildung von Mikrosklerotien sichergestellt. Beide Entwicklungsprozesse werden durch Frequency (Frq) und die Frq-interagierende RNA-Helikase (Frh) reguliert. Die Bildung des Frq-Frh-Komplexes von V. dahliae ist wichtig für die verstärkte Konidienbildung und die lichtabhängige Verzögerung der durch den Suppressor of flocculation 1 (Sfl1) induzierten Mikrosklerotienbildung. Zusammen, jedoch nicht einzeln, verstärken Frq und Sfl1 die Symptominduktion bei mit V. dahliae infizierten Tomatenpflanzen. Abschließend lässt sich sagen, dass P_rhizo einen Beitrag zum biologischen Pflanzenschutz gegen die Verticillium-Welke leisten kann und der Frq-Frh-Komplex eine wichtige Rolle bei der Gestaltung der Entwicklung von V. dahliae spielt. Zukünftige Untersuchungen werden die regulatorischen Ziele des Frq-Frh Komplexes sowie den Wirkungsmechanismus von P_rhizo identifizieren, was beides zu neuen Strategien zur Wachstumskontrolle von V. dahliae führen könnte.
 
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