Study of cellular and molecular mechanisms in the activation of immune responses in Solanaceae

Mgr. Adam Janotík, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

Choroby rostlin způsobené patogeny představují významnou hrozbu pro zemědělství, ve-dou k podstatným ztrátám úrody a ohrožují globální potravinovou bezpečnost. Hlubší porozumění imunitních mechanismů rostlin je proto zásadní. Tato práce se zabývá dvěma vzájemně propojenými aspekty imunity rostlin z čeledi Solanaceae: indukcí defense prim-ingu pomocí β-aminomáselné kyseliny (BABA) a funkční rolí RLK SOBIR1 (SUPPRESSOR OF BIR1). V prvním části byla charakterizována rezistence indukovaná BABA (BABA-IR) u rajčete. Při aplikaci BABA s L-aspartátem (L-Asp) nebo L-glutaminem (L-Gln) je indukce rezistence vůči Pseudomonas syringae pv. Tomato inhibována, což je spíše účinek spojený s metabolizací aminokyselin než s molekulární kompeticí L-Asp s BABA. Analýza fytohormonů odhalila obrannou dráhu založenou na kyselině jasmonové (JA) u rajčete, co je v kontrastu s BABA-IR řízenou kyselinou salicylovou (SA) popsanou u Arabidopsis. Tyto poznatky podtrhují význam srovnávacích studií mezi modelovými rostlinami a plodinami s agronomickým významem. Druhé téma zkoumalo SOBIR1, koreceptor receptor-like proteinu s opakujícími se sekvencemi bohatými na leucin, které zprostředkovávají extracelulární imunitní rozpoz-návání. Pomocí CRISPR-Cas9 byly oba homeology SOBIR1 editovány v rostlině Nicotiana tabacum za účelem vytvoření mutantů bez transgenů. Analýza transkriptomu a hormonů odhalila změněný metabolismus cytokininů, tkáňově specifické přeprogramování obran-ných drah a změny v enzymech modifikujících buněčné stěny. U mutantů sobir1 byla zrušena aktivace hypersenzitivní odpovědi v reakci na elicitiny oomycet, ačkoli částečná časná produkce ROS byla zachována. Mutanty také vykazovaly zvýšenou náchylnost k pa-togenu Phytophthora parasitica, ale nezměněnou odolnost vůči Botrytis cinerea a Pseudo-monas syringae, což zdůrazňuje specificitu imunity zprostředkované SOBIR1. Celkově tato práce poskytuje nové poznatky o regulaci primingu a imunitě zprostředkované receptory u Solanaceae. Práce zdůrazňuje BABA signalizaci a SOBIR1 jako slibné a kom-plexní cíle pro posílení odolnosti plodin. Integrací molekulárních, biochemických a fyziolog-ických přístupů tato práce posouvá naše chápání toho, jak jsou imunitní percepce, hor-monální regulace a vývojové procesy propojeny v obraně rostlin.

Abstract:

Plant diseases caused by pathogens represent a major threat to agriculture, leading to sub-stantial crop losses and undermining global food security. A deeper understanding of plant immune mechanisms is therefore critical. This thesis addresses two interconnected aspects of Solanaceae immunity: defense priming by β-aminobutyric acid (BABA) and the functional role of the receptor-like kinase SOBIR1 (SUPPRESSOR OF BIR1). In the first theme, BABA-induced resistance (BABA-IR) was characterized in tomato. Re-sistance to Pseudomonas syringae pv. tomato was reduced when BABA was combined with L-aspartate or L-glutamine, an effect linked to amino acid metabolization rather than com-petition with BABA. Phytohormone profiling revealed a jasmonic acid (JA)-based defense pathway in tomato, contrasting with the salicylic acid (SA)-dependent BABA-IR described in Arabidopsis. These findings underscore the importance of comparative studies between model plants and crops of agronomic relevance. The second theme examined SOBIR1, a co-receptor of leucine-rich repeat receptor-like pro-teins (RLPs) that mediate extracellular immune recognition. Using CRISPR–Cas9, both SOBIR1 homeologs were edited in Nicotiana tabacum to generate transgene-free double mutants. Transcriptomic and hormonal profiling revealed altered cytokinin metabolism, tissue-specific reprogramming of defense pathways, and changes in wall-modifying en-zymes. Functionally, Nt sobir1 double mutants failed to trigger hypersensitive cell death in response to oomycete elicitins, although partial early ROS production was retained. Mu-tants also displayed increased susceptibility to Phytophthora parasitica but unchanged re-sistance to Botrytis cinerea and Pseudomonas syringae, highlighting the specificity of SOBIR1-mediated immunity. Overall, this work provides novel insights into the regulation of priming and receptor-mediated immunity in Solanaceae. It identifies BABA signaling and SOBIR1 as promising but complex targets for strengthening crop resilience. By integrating molecular, biochemical, and physiological approaches, the thesis advances our understanding of how immune per-ception, hormone regulation, and developmental processes are interconnected in plant defense.

Keywords

plant defense, SOBIR1, CRISPR-Cas9, Solanaceae, elicitins, BABA priming

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 22. 9. 2025

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 27. 10. 2025
• Vedoucí: doc. Mgr. Jan Lochman, Ph.D.
• Oponent: Prof. Nicolas Pauly, Prof. Magdalena Arasimowicz-Jelonek

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Biochemie / Biochemie