The velvet protein Vel1 controls initial plant root colonization and conidia formation for xylem distribution in Verticillium wilt

by Annalena Maria Höfer née Otto
Doctoral thesis
Date of Examination:2021-01-08
Date of issue:2021-08-24
Advisor:Prof. Dr. Gerhard Braus
Referee:Prof. Dr. Gerhard Braus
Referee:Prof. Dr. Andrea Polle
Referee:Prof. Dr. Rolf Daniel
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8792

 

 

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Abstract

English

The velvet family of regulatory proteins is well-conserved in fungi and links developmental processes and secondary metabolite production. These proteins comprise a velvet domain for DNA binding and dimerization with structural similarity to the Rel homology domain of the mammalian NF-κB transcription factor. Functions of homologs of all velvet domain protein encoding genes in the fungal life cycle were systematically characterized in the plant pathogen Verticillium dahliae. These velvet proteins are required in different phases of fungal growth, development, secondary metabolite formation and pathogenicity. The Vel1-Vel2, Vel2-Vos1 and Vel3-Vos1 heterodimers are present during vegetative hyphal growth. Except from Vel3, all velvet proteins additionally interact with other non-velvet proteins. During filamentous growth Vel1, Vel3 and Vos1 are predominately localized to the nucleus. Vel2 is mainly localized to the nucleus but subpopulations are also present in the cytoplasm. The soil-borne V. dahliae plant pathogenic fungus is responsible for Verticillium wilt disease of many crops. Fungal diseases in crop plants are an emerging threat for human nutrition in connection with the increasing world population. Verticillium spp. start infection by colonizing and invading the roots. One of the major novel findings of this thesis is that the velvet domain protein Vel1 is required for the initial plant root colonization and entry into the host xylem. Inside the plant the fungus forms conidia which are distributed by the sap stream. Together with Vel3, Vel1 promotes conidiation and propagation in planta. Germinating conidia colonize the whole host and finally lead to the induction of disease symptoms. Vel1 is needed for disease symptom induction in tomatoes. In the senescent plant, the fungus forms microsclerotia as resting structures in order to survive until the next growing season. Formation of microsclerotia is positively regulated by Vel1 and in a light-dependent manner by Vel2. Vel3 has opposite functions during formation of these resting structures. Microsclerotia contain the pigment melanin. The synthesis of the melanin precursor scytalone and other secondary metabolites is promoted by Vel1 and Vel2 but negatively regulated by Vel3. So far, the function of Vos1 in V. dahliae remains ambiguous. Fungicides either harm the environment or are useless once the fungus has entered the plant xylem. Inhibition of fungal growth, conidiation and resting structure formation are strategies to combat the pathogen. Vel1 is the most important among the four V. dahliae velvet proteins with a wide variety of functions during all phases of the fungal life cycle in as well as ex planta making it a potential target to combat the fungus. A combined application with antagonistic bacteria might be a strategy to persistently harm the fungus, because we could show in pilot studies that fluorescent pseudomonads, which have the genomic requirements to produce different secondary metabolites, are able to inhibit conidia germination and growth of the plant pathogen V. dahliae in a media-dependent manner.
Keywords: Verticillium dahliae; Velvet proteins; Secondary metabolism; Root colonization; Protein-protein interaction; Plant pathogenic fungus; Microsclerotia; Conidia; Pseudomonas; 2,4-diacetylphloroglucinol; Phenazines; GacS/GacA two-component system; Aspergillus nidulans; Aspergillus fumigatus

German

Die Familie der regulatorischen Velvet-Proteine ist in Pilzen gut konserviert und verbindet Entwicklungsprozesse und die Bildung von Sekundärmetaboliten. Diese Proteine besitzen eine Velvet-Domäne mit strukturellen Ähnlichkeiten zur Rel-Homologie-Domäne des NF-κB-Transkriptionsfaktors von Säugetieren. Diese wird für die Bindung von DNA und Bildung von Proteindimeren benötigt. Alle homologen Velvet-Protein-kodierenden Gene wurden systematisch hinsichtlich ihrer Funktionen im pilzlichen Lebenszyklus des Pflanzenpathogens Verticillium dahliae untersucht. Die Velvet-Proteine werden in verschiedenen Phasen des Pilzwachstums, der Entwicklung, der Bildung von Sekundärmetaboliten sowie für die Pathogenität benötigt. Die Heterodimere Vel1-Vel2, Vel2-Vos1 und Vel3-Vos1 kommen während des vegetativen Hyphenwachstums vor. Mit Ausnahme von Vel3 interagieren alle Velvet-Proteine zusätzlich mit Proteinen aus anderen Familien. Während des filamentösen Wachstums sind Vel1, Vel3 und Vos1 hauptsächlich im Zellkern lokalisiert. Vel2 ist überwiegend im Zellkern lokalisiert, Subpopulationen sind aber auch im Zytoplasma vorhanden. Der im Boden persistierende pflanzenpathogene Pilz V. dahliae ist für die in zahlreichen Kulturpflanzen vorkommende Verticillium-Welke verantwortlich. Pilzkrankheiten in Kulturpflanzen sind eine aufkommende Bedrohung im Zusammenhang mit der Ernährung der wachsenden Weltbevölkerung. Die Infektion des Wirtes durch Verticillium spp. beginnt mit der Kolonisierung und Penetration der Pflanzenwurzel. Eine wichtige neue Erkenntnis dieser Arbeit ist, dass das Velvet-Domänen Protein Vel1 für die initiale Kolonisierung der Pflanzenwurzel und den Eintritt in das Xylem benötigt wird. Innerhalb der Pflanze bildet der Pilz Konidien, die vom Strom des Xylemsafts verteilt werden. Vel1 und Vel3 beeinflussen die Sporenbildung und somit auch die Ausbreitung des Pilzes in der Pflanze. Auskeimende Konidien besiedeln den gesamten Wirt und induzieren schließlich Krankheitssymptome. Vel1 wird für die Induktion von Krankheitssymptomen in Tomatenpflanzen benötigt. In der seneszenten Pflanze bildet der Pilz Mikrosklerotien als Überdauerungsstrukturen um bis zur nächsten Vegetationsperiode zu überleben. Die Mikrosklerotienbildung wird durch Vel1 und abhängig vom Licht auch durch Vel2 positiv reguliert. Im Gegensatz dazu hat Vel3 während der Bildung dieser Überdauerungsstrukturen eine hemmende Wirkung. Mikrosklerotien enthalten das Pigment Melanin. Die Synthese des Melaninvorläufers Scytalon und anderer Sekundärmetabolite wird durch Vel1 und Vel2 positiv beeinflusst, während Vel3 einen gegenteiligen Effekt hat. Die Funktion von Vos1 in V. dahliae bleibt unklar. Fungizide sind entweder umweltschädigend oder wirkungslos sobald der Pilz in das Xylem der Pflanze eingedrungen ist. Die Hemmung des Pilzwachstums sowie die Bildung von Sporen und Überdauerungsstrukturen sind geeignete Strategien zur Bekämpfung des Pilzes. Vel1 ist das wichtigste der vier Velvet-Proteine in V. dahliae mit einer Vielzahl von Funktionen in den verschiedenen Phasen des pilzlichen Lebenszyklus innerhalb und außerhalb der Pflanze und stellt somit einen potenziellen Angriffspunkt bei der Bekämpfung des Pilzes dar. Eine kombinierte Anwendung mit Bakterien, die das Pilzwachstum hemmen, ist möglicherweise eine geeignete Strategie den Pilz dauerhaft und nachhaltig zu schädigen, denn in ersten Versuchen konnten wir zeigen, dass fluoreszierende Pseudomonaden, die die genomische Voraussetzung haben verschiedene Sekundärmetabolite zu produzieren, die Sporenkeimung und das Pilzwachstum vom Pflanzenpathogen V. dahliae abhängig vom Medium verringern.
 
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