Studium obranných mechanismů rostlin aktivovaných elicitiny

Mgr. Pavla SATKOVÁ

Doctoral thesis

The study of reactive nitrogen and oxygen species in plant stress response

Abstract:

Předkládaná disertační práce je zaměřená na studium aktivace obranných mechanismů u modelových rostlin Solanum spp. prostřednictvím elicitinů sekretovaných oomycetami Phytophthora cryptogea (bazický -elicitin kryptogein) a Pythium oligandrum (kyselý -elicitin oligandrin) a tzv. chemického elicitoru -aminomáselné kyseliny (BABA). Prezentovaná práce je zaměřena na porovnání aktivace rezistence působením výše uvedených elicitorů na biotrofní patogen Pseudooidium neolycopersici (padlí rajčatové) u tří genotypů Solanum. spp lišící se stupněm rezistence na infekci zmíněným patogenem. U studovaných genotypů Solanum. spp byly sledovány změny v expresi PR (s patogenezí souvisejících) proteinů a zapojení signálních drah hormonů ethylenu, kyseliny salicylové a kyseliny jasmonové. Pro studium mechanismu aktivace obranných reakcí a rezistence na patogen P. neolycopersici byly použity kromě kryptogeinu i dvě jeho mutantní formy, u nichž došlo k záměně aminokyseliny v pozici 41 (L41F) a pozici 84 (V84F). Mutantní forma V84F se vyznačuje nižší schopností vázat a transportovat steroly než kryptogein, přičemž schopnost aktivace produkce reaktivních forem kyslíku (ROS) je srovnatelná. Mutantní forma L41F je charakteristická nízkou schopností vázat a transportovat steroly a má významně sníženou schopnost aktivace produkce ROS. U modelových genotypů Solanum spp. bylo prokázáno zapojení obranných proteinů patřících do skupiny PR v reakci na elicitaci zástupci - i -elicitinů. Transkripční studií zaměřenou na sledování genů kódující enzymy důležitých pro biosyntézu ethylenu a stanovením jeho produkce bylo prokázáno, že rezistence indukovaná BABA a oligandrinem u rajčete je závislá na signální dráze ethylenu. Kryptogein u rajčete pravděpodobně aktivuje signální dráhy ethylenu a kyseliny jasmonové. Byl prokázán nárůst rezistence jednotlivých genotypů Solanum spp. k patogenu P. neolycopersici v závislosti na typu použitého elicitinu a genotypu rajčete. V případě oligandrinu byla zvýšená rezistence u náchylného genotypu (S. lycopersicum cv. Amateur), v případě kryptogeinu naopak u genotypů vykazujících určitý stupeň rezistence (S. chmielewskii, S. habrochaites). Součástí disertační práce jsou výsledky získané v rámci řešení projektu zaměřeného na změny v subcelulární distribuci enzymu NADPHoxidasy (RBOH), který hraje významnou roli v obranných reakcích rostlin v průběhu patogeneze a podílí se na produkci ROS po aplikaci elicitinu kryptogeinu k buněčné suspenzi Nicotiana tabacum. Získané výsledky prokazují přítomnost enzymu RBOH v plazmatické membráně a v Golgiho komplexu. V rámci interakce rostlina-patogen je pro rostlinu charakteristické dvoufázové navýšení produkce ROS. Výsledky naznačují, že po elicitaci kryptogeinem se na zvýšené produkci ROS v první fázi podílí společně RBOHD plazmatické membrány s RBOHD původně lokalizovanou v Golgiho aparátu. Nově syntetizovaná RBOH je zapojena do produkce ROS až v druhé fázi.

Abstract:

The present thesis is focused on the study of activation of defence mechanisms in model plants of Solanum spp. by elicitins secreted by Phytophthora cryptogea (a basic -elicitin cryptogein) and Pythium oligandrum (an acidic -elicitin oligandrin) and a chemical elicitor -aminobutyric acid (BABA). Presented work is focused on a comparison of activation of resistance by the elicitors mentioned above to pathogen Pseudooidum neolycopersici (powdery mildew) in three genotypes of Solanum spp. with different degree of resistance to infection by a biotrophic pathogen. We also studied changes in the expression of the PR (pathogenesis-related) proteins and involvement of signalling pathways of hormones ethylene, salicylic acid and jasmonic acid. In addition to cryptogein, two mutant forms of cryptogein with an amino acid replaced in position 41 (L41F) or position 84 (V84F) were used to specify the mechanism of defence response and resistance to P. neolycopersici pathogen. The V84F mutant is characterized by a lower ability to bind and transport sterols than cryptogein, whereas its ability to activate reactive oxygen species (ROS) production is comparable. The L41F mutant is characterized by a low ability to bind and transport sterols and has a significantly reduced ability to activate ROS production. The involvement of defence proteins belonging to the PR group in responses elicited by both - and -elicitins in the model plant Solanum spp. was demonstrated. We quantified the gene expression of key enzymes involved in ethylene biosynthesis and determined ethylene production, which showed that resistance induced by BABA and oligandrin in tomato is dependent on the ethylene signalling pathway. Cryptogein probably activates ethylene as well as jasmonic acid signalling pathways. The increase in resistance to the pathogen P. neolycopersici in three genotypes of Solanum spp. was individual and dependent on the type of used elicitin and the tomato genotype. Treatment with oligandrin induced resistance in the susceptible genotype of tomato (S. lycopersicum cv. Amateur), whereas cryptogein treatment induced resistance in the genotypes showing a certain degree of resistance (S. chmielewskii, S. habrochaites). Another part of this thesis presents results obtained in the framework of the study on changes in subcellular distribution of the enzyme NADPH oxidase (RBOH), which play an important role in plant defence reactions during pathogenesis and participate in the production of ROS after application of elicitin cryptogein to cell suspension of Nicotiana tabacum. The obtained results demonstrate the presence of RBOH in the plasma membrane and in the Golgi complex. Within the plant-pathogen interactions, the plant is characterized by a two-phase increase in ROS production. The results indicate that RBOHD located in the plasma membrane together with the RBOHD originally located in the Golgi apparatus are involved in increased ROS production in the first phase after cryptogein elicitation are involved. The newly synthesized RBOH is involved only in the second phase of increased ROS production.

Keywords

biotický stres, elicitin, ethylen, kyselina -aminomáselná, kyselina jasmonová, kyselina salicylová, kryptogein, NADPHoxidasa, obranná reakce, oligandrin, Phytophthora, PR proteiny, Pseudooidium neolycopersici, Pythium, rajče, reaktivní formy kyslíku, rezistence, tabák

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 12. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 24. 2. 2020
• Supervisor: doc. RNDr. Lenka Luhová, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry / Biochemistry