| dc.contributor.advisor | Terhonen, Eeva-Liisa Dr. | |
| dc.contributor.author | Durodola, Blessing Adeola | |
| dc.date.accessioned | 2024-11-05T17:49:10Z | |
| dc.date.available | 2024-11-12T00:50:08Z | |
| dc.date.issued | 2024-11-05 | |
| dc.identifier.uri | http://resolver.sub.uni-goettingen.de/purl?ediss-11858/15587 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10822 | |
| dc.format.extent | 148 | de |
| dc.language.iso | eng | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 634 | de |
| dc.title | Genotype effect on Norway spruce (Picea abies) mycobiome and resistance against Heterobasidion parviporum under abiotic stress | de |
| dc.type | doctoralThesis | de |
| dc.contributor.referee | Terhonen, Eeva-Liisa Dr. | |
| dc.date.examination | 2023-08-31 | de |
| dc.description.abstractger | Die Gemeine Fichte (Picea abies L. Karst.) hat als Baumart in Europa eine erhebliche
wirtschaftliche Bedeutung. Er ist jedoch sehr anfällig für Infektionen mit dem Artenkomplex
Heterobasidion annosum, die in Europa zu geschätzten jährlichen Verlusten von rund 800 Mio.
EUR führen. Die Gemeine Fichte weist unter wechselnden klimatischen Bedingungen eine
begrenzte Widerstandsfähigkeit und Wiederherstellungsfähigkeit auf, was sie sowohl für
biotischen als auch für abiotischen Stress anfällig macht. Da sich die Klimamuster,
insbesondere die Temperatur und die Niederschläge, voraussichtlich verändern werden, können
sich die geografische Verteilung und die geeigneten Lebensräume, die für die Fichte
erforderlich sind, erheblich ändern. Daher könnte sich das Verständnis der zugrunde liegenden
Mechanismen, die daran beteiligt sind, wie Bäume auf pathogene Angriffe reagieren, als
vorteilhaft erweisen, um dieses Problem anzugehen.
Die erste Arbeit beschreibt eine transkriptionelle Studie, in der die Genexpression der
Gemeine Fichte verglichen wurde, um die Auswirkungen der Wasserverfügbarkeit und der
Infektion mit Heterobasidion parviporum zu bewerten. In dieser Studie wurde eine RNA-SeqAnalyse an Fichtenproben durchgeführt, um die genetischen Signalwege zu identifizieren, die
mit spezifischen Reaktionen auf widrigen Umweltstress (Trockenheit) sowohl in Anwesenheit
als auch in Abwesenheit des Erregers H. parviporum verbunden sind. Zusätzlich wurde eine
Transkriptionsstudie durchgeführt, um die Interaktion zwischen H. parviporum-Infektion und
die Expression von Abwehrgenen, die durch Trockenstress beeinflusst werden zu untersuchen.
Achtzehn Sämlinge wurden nach dem Zufallsprinzip in Wasserbehandlungsgruppen (hoch
oder niedrig) eingeteilt und mit H. parviporum beimpft., scheingeimpft (2%iger MalzextraktAgar) oder unbehandelt. Vier Kandidatengene (MA_110169g0010, MA_14707g0010,
MA_15852g0010, MA_10427673g0020) konnten erfolgreich identifiziert werden, die mit
einer Resistenz gegen Heterobasidion sp., insbesondere unter Trockenheit, assoziiert sind.
Diese Gene zeigten signifikante Expressionsänderungen, entweder höher oder niedriger, im
Vergleich zur nicht behandelten Kontrollgruppe, ausschließlich in H. parviporum-infizierten
Pflanzen. Wir beobachteten jedoch auch, dass die abwehrbezogene Genantwort komplizierter
wird, wenn zusätzliche abiotische Stressfaktoren vorhanden sind. Diese Ergebnisse deuten
darauf hin, dass die Wasserverfügbarkeit eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der
Genregulationsstrategie (Hoch- oder Herunterregulierung) von H. parviporum-infizierte Gemeine Fichte spielt. Darüber hinaus deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die Gemeine
Fichte eine präferentielle Abwehrreaktion auf H. parviporum-Infektion, statt physischer
Verletzung, zeigt, abhängig von den vorherrschenden Wasserverfügbarkeitsbedingungen.
Die zweite Arbeit untersucht die genetische Variation von Picea abies als Reaktion auf
die künstliche Inokulation von Heterobasidion parviporum-Infektionen. Es wurden
Inokulationsexperimente durchgeführt, um zu untersuchen, wie verschiedene Familien von
Fichtensämlingen auf eine Infektion mit H. parviporum unter abiotischem Stress reagieren.
Achthundert Fichtensämlinge wurden anhand von zwei Wasserbehandlungen kategorisiert.
Vier hundert Sämlinge erhielten die optimale Bewässerung, die für ihr Wachstum und
Überleben erforderlich war, während die restlichen vier hundert die Hälfte der optimalen
Bewässerung erhielten. Die Inokulationen wurden mit zwei H. parviporum-Stämmen
durchgeführt. Die Sämlinge wurden entweder mit H. parviporum-Stämmen beimpft (Hpa 1
und Hpa 2) oder 1,5 % MEA als Kontrolle. Andere blieben unbehandelt. Die
Wachstumsparameter und Läsionen sowohl im Phloem als auch im Splintholz wurden
gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Höhe der Sämlinge, im Gegensatz zum
Durchmesser, nicht durch Wasserstress oder Impfbehandlung, sondern durch Familien und
Genotypen beeinflusst wurde. Starke positive Korrelationen wurden auch zwischen den
Läsionsgrößen sowohl im Phloem als auch im Splintholz beobachtet. Insgesamt verdeutlicht
die Studie den Einfluss von Fichtengenotypen auf die Wachstumsdynamik und dass die
induzierten Reaktionsmuster von Picea abies auf künstliche Inokulationen durch verschiedene
Stämme desselben Erregers unterschiedlich sein könnten.
Die dritte Arbeit untersucht das Mykobiom der Gemeine Fichte und gibt Einblicke in
die Pilzgemeinschaften und ihre Diversität und Stabilität unter abiotischem Stress und
Heterobasidion parviporum-Infektionen. Im Rahmen der kontinuierlichen Bemühungen, die
Auswirkungen der Wirtsgenetik und der Umweltfaktoren auf die Pilzzusammensetzung zu
verstehen und die Hypothese der "Mykobiom-assoziierten Fitness" zu bewerten, wurde eine
vergleichende Analyse durchgeführt. Siebenundsechzig Fichtensämlinge wurden für diese
Studie entweder mit H. parviporum beimpft, scheininokuliert oder unbehandelt verwendet. Die
Sämlinge wurden in optimale und niedrige Bewässerungskategorien eingeteilt und das
Mykobiom mit ihren Phloemen und Wurzeln analysiert. Die Ergebnisse unterstreichen die
Unterschiede in der Vielfalt und Häufigkeit von Mykobiom-Gattungen in den Genotypen der
Gemeine Fichte und in der Reaktion auf die Wasserverfügbarkeit im Phloem. Es gab unterschiedliche Grade der Nekrose zwischen den Genotypen der Gemeine Fichte, und das
Vorhandensein des einen Pilzes beeinflusste die Häufigkeit des anderen; wie hier im Falle von
Heterobasidion-Phialocephala.
Schlüsselpilze wie Phialocephala fortinii und Paraphaeosphaeria neglecta wurden im
Wurzelmykobiom identifiziert, um der Fichte hemmende Vorteile gegen das Wachstum von
Heterobasidion parviporum zu verleihen. Darüber hinaus zeigten bestimmte Endophyten eine
höhere Stabilität bei geringer Wasserverfügbarkeit in den Wurzeln als Ektomykorrhizapilze.
Die Studie legt nahe, dass die Resistenz der Fichte gegen Krankheitserreger (Heterobasidion
parviporum) durch ein komplexes Zusammenspiel mehrerer Faktoren geprägt ist, darunter
genetische und umweltbedingte Faktoren wie Bodenfeuchte und Anpassungsfähigkeit von
Pilzen.
Die vierte Arbeit untersucht den Leucoanthocyanidin Reductase 3 (PaLAR3) Locus in
der Gemeine Fichte (Picea abies) und seinen Zusammenhang mit der Resistenz gegen H.
parviporum. Das Vorhandensein des B-Allels am PaLAR3-Locus führt möglicherweise zu
einer erhöhten Resistenz gegen Krankheitserreger in Inokulationsexperimenten. In dieser
Arbeit wurde der Einfluss des PaLAR3-Gens auf die durch H. parviporum induzierte
Nekroseentwicklung in den Stängeln von Klonmaterialien der Gemeine Fichte unter
verschiedenen Bewässerungsbedingungen untersucht. Sieben hundert vier und fünfzig klonale
Fichtensämlinge, die für diese Studie verwendet wurden, wurden entweder mit H. parviporumStämmen inokuliert, die vorgetäuscht oder unbehandelt bleiben. Entworfene PaLAR3-Locusspezifische Primer wurden verwendet, um PaLAR3-Allele in den Sieben hundert vier und
fünfzig Keimlingen nachzuweisen. Das Ergebnis zeigt, dass das homozygote PaLAR3B-Allel
in geringeren Mengen vorhanden ist als sein heterozygotes Gegenstück oder das PaLAR3A,
das am häufigsten vorkam. Es gab auch eine Interaktion zwischen dem nekrotischen Bereich
und dem homozygoten PaLAR3BB unter Bedingungen reduzierter Wasserverfügbarkeit. Die
Ergebnisse unterstützen das PaLAR3B-Allel als wertvollen Marker für die Identifizierung von
Resistenzen im Heterobasidion-Pathosystem von Picea abies. Alles in allem sollte das Konzept
der Pflanzen für die Gemeine Fichte die genotypische Variation gegen Krankheitserreger
erweitern, und das inhärente Mykobiom sollte als Faktoren betrachtet werden, die in
Resistenzstudien einbezogen werden sollten. | de |
| dc.description.abstracteng | Norway spruce (Picea abies L. Karst.) holds considerable economic importance as a
tree species in Europe. However, it faces significant vulnerability to attacks from the
Heterobasidion annosum species complex, resulting in estimated annual losses of around 800
€ million in Europe. Norway spruce exhibits limited resilience and restorative capabilities
under changing climatic conditions, making it susceptible to both biotic and abiotic stresses.
As climate patterns, particularly temperature and precipitation, are expected to undergo
alterations, the geographic distribution and suitable habitats required for Norway spruce may
experience substantial changes. Therefore, comprehending the underlying mechanisms
involved in how trees respond to pathogenic attacks could prove beneficial in addressing this
issue.
The first chapter described a transcriptional study comparing Norway spruce gene
expressions to evaluate the effects of water availability and infection with Heterobasidion
parviporum. In this study, RNA-seq analysis was conducted on Norway spruce samples to
identify the genetic pathways associated with specific responses to adverse environmental
stress (drought) both in the presence and absence of the pathogen H. parviporum. Additionally,
a transcriptional study was implemented to examine the interaction between H. parviporum
infection and the expression of defense-related genes influenced by drought stress. Eighteen
seedlings were randomly assigned to water treatment groups (high or low) and inoculated with
H. parviporum, mock-inoculated (2% Malt extract agar) or left untreated. Four candidate genes
were successfully identified (MA_110169g0010, MA_14707g0010, MA_15852g0010,
MA_10427673g0020) to be associated with resistance against Heterobasidion sp., especially
under drought.
These genes exhibited significant expression changes, either higher or lower, compared
to the non-treated control group, exclusively in H. parviporum-infected plants. However, we
also observed that the defense-related gene response becomes more intricate when additional
abiotic stress factors are present. These findings indicate that water availability plays a crucial
role in determining the gene regulation strategy (upregulation or downregulation) employed by
H. parviporum-infected Norway spruce. Moreover, our results suggest that Norway spruce
exhibits a preferential defense response to H. parviporum infection rather than physical
wounding, depending on the prevailing water availability conditions.
The second chapter examined the genetic variation of Picea abies in response to the
artificial inoculation of Heterobasidion parviporum infection. Inoculation experiments were
performed to assess how different families of Norway spruce seedlings respond to
Heterobasidion parviporum infection under abiotic stress. Eight hundred Norway spruce
seedlings were categorised based on two water treatments. Four hundred seedlings received the
optimum watering required for their growth and survival, while the remaining four hundred
received half the optimum watering. Inoculations were done with two strains of H. parviporum.
The seedlings were inoculated with either H. parviporum strains (Hpa 1 and Hpa 2) or 1.5%
MEA as a control, others were left untreated. The growth parameters and lesions in both phloem
and sapwood were measured. The results show that the seedlings' height, unlike the diameter,
was not impacted by water stress nor inoculation treatment but by families and genotypes.
Strong positive correlations were also observed between the lesion sizes in both phloem and
sapwood. Overall, the study elucidates the influence of Norway spruce genotypes on growth
dynamics and that the induced response patterns of Picea abies to artificial inoculations by
different strains of the same pathogen could be different.
The third chapter explored the mycobiome of Norway spruce and gave insights into the
fungal communities and their diversity and stability under abiotic stress and Heterobasidion
parviporum infection. As part of a continued effort to understand the effects of host genetics
and environmental factors on fungal composition and evaluate the "mycobiome-associatedfitness" hypothesis, a comparative analysis was carried out. Sixty-seven Norway spruce
seedlings either inoculated with H. parviporum, mock-inoculated or left untreated were used
for this study. The seedlings were grouped into optimum and low watering categories, and the
mycobiome associated with phloem and roots were analysed. The findings underscore the
variations in the diversity and abundance of mycobiome genera in Norway spruce genotypes
and response to water availability in the phloem. There were varying degrees of necrosis across
Norway spruce genotypes, and the presence of one fungus influenced the abundance of another:
in the case of Heterobasidion-Phialocephala.
Key fungi such as Phialocephala fortinii and Paraphaeosphaeria neglecta were
identified in the root mycobiome to confer inhibitory benefits to Norway spruce against the
growth of Heterobasidion parviporum. Furthermore, specific endophytes exhibited greater
stability under low water availability in the roots than ectomycorrhizal fungi. The study
suggests that Norway spruce resistance against pathogens (Heterobasidion parviporum) is shaped by a complex interplay of several factors, including genetic and environmental factors
such as soil moisture levels and fungal adaptability.
The fourth chapter assessed the Leucoanthocyanidin Reductase 3 (PaLAR3) locus in
Norway spruce (Picea abies) and its link to resistance against Heterobasidion parviporum. The
presence of the B allele at the PaLAR3 locus potentially confers enhanced resistance against
pathogens in inoculation experiments. This research examined the impact of the PaLAR3 gene
on necrosis development induced by H. parviporum in the stems of Norway spruce clonal
materials under different watering conditions. Seven hundred and fifty-four clonal Norway
spruce seedlings used for this study were either inoculated with H. parviporum strains, mockinoculated or left untreated. Designed PaLAR3 locus-specific primers were used to detect
PaLAR3 alleles in the Seven hundred and fifty-four seedlings. The outcome shows that the
homozygous PaLAR3B allele is present in lower quantities as compared to its heterozygous
counterpart or the PaLAR3A, which was the most abundant. Also, there was an interaction
between the necrotic area and the homozygous PaLAR3BB under conditions of reduced water
availability. The findings support previous research that the PaLAR3B allele could serve as one
of the valuable markers for identifying resistance in the Picea abies-Heterobasidion
pathosystem. All in all, for Norway spruce, the concept of plants extended genotypic variation
against pathogens and inherent mycobiome should be considered as factors to be included in
resistance studies. | de |
| dc.contributor.coReferee | Gailing, Oliver Prof. Dr. | |
| dc.subject.eng | Fungi-host relationship | de |
| dc.subject.eng | Drought stress | de |
| dc.subject.eng | Genotypic variation | de |
| dc.subject.eng | Forest Pathology | de |
| dc.subject.eng | Mycobiome | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-ediss-15587-2 | |
| dc.affiliation.institute | Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie | de |
| dc.subject.gokfull | Forstwirtschaft (PPN621305413) | de |
| dc.description.embargoed | 2024-11-12 | de |
| dc.identifier.ppn | 190766369X | |
| dc.identifier.orcid | https://orcid.org/0000-0002-1128-2440 | de |
| dc.notes.confirmationsent | Confirmation sent 2024-11-05T19:45:01 | de |