TY  - THES
A1  - Winter, Thorsten Ralf
T1  - Induced indirect defense in soybean and maize: Effects of ultraviolet radiation, nitrogen availability and heavy metal stress
T1  - Induzierte indirekte Verteidigung bei Soja und Mais: Effekte von ultravioletter Strahlung, Stickstoffverfügbarkeit und Schwermetallstress
N2  - Plants exposed to herbivory may defend themselves by attracting the “enemies of their enemies”, a phenomenon called induced indirect defense (IID). In this process, the de novo production and emission of volatile organic compounds (VOC) by the affected plant is activated via a jasmonic acid (JA) dependent signaling cascade. VOC can be very specific for the inducing herbivore as well as for the emitting plant. Carnivores as predatory mites and parasitoid wasps use these substances as prey- or host-finding cues. If the herbivore is parasitized successfully, its development is slowed and thus the damage of the plant is decreased. Additional abiotic stress may modulate the plant’s ability to produce and/or emit herbivore induced VOC. Ultraviolet (UV) radiation can have multiple physiological effects on plants, amongst others the activation of the expression of genes that are also activated during anti-herbivore defense. To investigate UV effects, foils with different UV transmittance were used to manipulate ambient solar radiation. One foil was permeable for the whole solar spectrum including UV radiation whereas the other excluded radiation below a wavelength of 400 nm. Soybean exposed to UV increased concentrations of isorhamnetin- and quercetin-based flavonoids as effective photo-protective compounds in the leaves and showed a reduced growth compared to plants exposed to ambient radiation lacking UV. The altered chemical composition of the leaves had no effect on food choice and performance of herbivorous Spodoptera frugiperda larvae. Photo-protection by flavonoids seems to be efficient to prevent further UV effects on IID as plants of both treatments emitted the same blend of induced VOC and hence females of the parasitoid Cotesia marginiventris did not prefer plants from on of the treatments in the olfactometer. Nitrogen is one important macronutrient for all trophic levels and thus deficiency of this nutrient was expected to affect IID of soybean profoundly. To manipulate N availability for soybean plants hydroponic culture was used. One treatment was cultured in a standard hydroponic solution whereas in the N deficiency treatment in the solution all salts containing N were replaced with N-free salts. In N deficient plants root biomass was increased to allow the plant to forage more efficiently for the nutrient. Despite this morphological adaptation, photosynthetic efficiency as well as leaf N and soluble protein content were reduced significantly in N deficient soybean. The N deficiency was passed on to the third trophic level as herbivores fed with the affected leaves had a reduced body N content on her part and showed a decreased growth but no feeding preference for the superior food. Parasitoids reared in such N deficient herbivores had significant lower pupal weight compared to parasitoids reared in hosts fed with fully fertilized soybean. N deficient plants emitted a quantitatively altered herbivore induced blend. The two terpenes β-Bergamotene and (E,E)-α-Farnesene were emitted in higher amounts whereas (Z)-3-Hexenyl-α-methylbutyrate was emitted in significantly lower amount. Despite this quantitatively modified VOC blend the parasitoids host-searching behavior was not affected. Heavy metals (HM) are proposed to affect various biochemical pathways in plants including defense pathways by production of reactive oxygen species (ROS) in the tissue. The ROS on its part may affect production and release of endogenous JA, an important messenger in defense signaling. In this study maize plants were grown hydroponically and exposed to different increased concentrations of copper and cadmium. Maize seems to be able to exclude the excess HM from the leaves because the HM were found mainly in the roots and only to a minor degree in the shoots of the plants. Despite this exclusion the HM significantly affected uptake of other metal ions into the plant. The excess of the HM in combination with the attenuated uptake of other ions led to a reduced growth of roots and shoots as well as to reduced photosynthetic efficiency. Thus the nutritional value of the plants for the herbivore was lowered either by direct toxic effects of the HM or indirectly by altering plant chemical composition. S. frugiperda larvae fed with leaves exposed to high HM concentrations showed a significantly reduced growth but they did prefer neither control nor HM treated plants in a food-choice assay. Cu had a transient priming effect on JA as pre-exposure to a high excess of Cu led to higher amounts of herbivore induced JA compared to control plants exposed only to standard concentration of Cu. As anticipated the increased JA was followed by an increase in herbivore induced VOC in high-Cu treated plants caused by a increase of the green leaf volatiles (E)-3-Hexenal, (Z)-3-Hexenol and (Z)-3-Hexenylacetat and the terpenes Linalool, (E)-α-Bergamotene, (E)-β-Farnesene, and β-Sesquiphellandrene. Despite these profound changes in herbivore induced VOC the parasitoids host searching behavior was not affected. As described, the abiotic stresses UV, N deficiency and excess HM affected the morphology and physiology of soybean and maize, the performance of the herbivore S. frugiperda and even the performance of the parasitoid C. marginiventris. However the host searching behavior of the parasitoid was not affected even if the herbivore induced VOC blend was altered. Thus parasitoids seem to be a very reliable defender for plants and IID a very robust way of herbivore defense.
N2  - Pflanzen, die Herbivorendruck ausgesetzt sind, können sich verteidigen, indem sie die „Feinde ihrer Feinde“ anlocken. Dieses Phänomen wird induzierte indirekte Verteidigung (englisch: induced indirect defense IID) genannt. Dabei wird die de novo Produktion und Abgabe von flüchtigen organischen Verbindungen (englisch: volatile organic compounds VOC) durch die betroffenen Pflanze über eine jasmonsäure (JA) -abhängige Signalkaskade aktiviert. Die VOC können sehr spezifisch sowohl für den auslösenden Herbivor als auch für die abgebende Pflanze sein. Karnivoren wie Raubmilben oder parasitoide Wespen nutzen diese Substanzen zur Beute- oder Wirtsfindung. Wurde der Herbivor erfolgreich parasitiert wird seine Entwicklung verlangsamt und damit der Schaden an der Pflanze verringert. Ist die Pflanze außer Herbivorie noch zusätzlichem abiotischen Stress ausgesetzt, kann dieser die Fähigkeit der Pflanze zur Produktion und/oder Abgabe der herbivor-induzierten Duftstoffe beeinflussen. Ultraviolette Strahlung (UV) kann verschiedenste physiologische Auswirkungen auf Pflanzen haben, darunter auch die Aktivierung der Expression von Genen, welche auch bei der Herbivorenabwehr aktiviert werden. Um solche möglichen UV-Effekte zu untersuchen, wurden Folien mit unterschiedlicher Durchlässigkeit für UV genutzt, um die natürliche Sonnenstrahlung zu manipulieren. Eine der Folien war durchlässig für das gesamt Spektrum des Sonnelichtes inklusive der UV-Strahlung, während die andere Folie Strahlung unterhalb einer Wellenlänge von 400 nm ausschloss. Sojapflanzen, die UV ausgesetzt waren, erhöhten die Konzentration von isorhamnetin- und quercetin-basierten Flavonoiden mit besonders effektiven Lichtschutzeigenschaften in ihren Blätter und zeigten außerdem ein reduziertes Längewachstum im Vergleich zu Pflanzen, die natürlicher Strahlung ohne UV-Anteil ausgesetzt waren. Die veränderte Blattchemie hatte jedoch keinen Einfluss auf Futterwahl und Entwicklung von herbivoren Spodoptera frugiperda Larven. Die Lichtschutzeigenschaften der Flavonoide verhinderten auch weitergehende UV-Effekte auf die IID, da Pflanzen beider Behandlungen das gleiche Gemisch induzierter VOC abgaben und daher Weibchen des Parasitoiden Cotesia marginiventris im Olfaktometer keine Bevorzugung für Pflanzen einer der beiden Behandlungen zeigten. Stickstoff (N) ist ein wichtiges Makronährelement für alle trophischen Ebenen, daher wurde vermutet, dass ein Mangel dieses Elementes die induzierte indirekte Verteidigung von Soja tiefgreifend beeinflussen könnte. Um die Verfügbarkeit von N für Sojapflanzen gezielt zu manipulieren wurde ein Hydrokultursystem verwendet. Eine der Behandlungen wurde in einer Standard-Hydrokulturlösung kultiviert während bei der Stickstoffmangelbehandlung die stickstoffhaltigen Salze in der Lösung durch stickstofffreie Salze ersetzt wurden. In N-Mangel-Pflanzen war die Wurzelbiomasse vergrößert, um eine effizientere Aufnahme des Nährstoffes zu ermöglichen. Trotz dieser morphologischen Anpassung waren Photosyntheseleistung, Blattstickstoffgehalt und Menge an löslichem Protein in N-mangel Soja signifikant verringert. Dieser Stickstoffmangel wurde bis zur dritten trophischen Ebene weitergegeben, da mit Stickstoffmangel-Blättern gefütterte Herbivore ihrerseits einen reduzierten Körperstickstoffgehalt und verringertes Wachstum zeigten, in Wahlexperimenten jedoch nicht höherwertiges Futter bevorzugten. Parasitoiden, welche in solchen N-magel Wirten gezüchtet wurden, erreichten ein geringeres Puppengwicht als Parasitoide, welche in Wirten gezüchtet wurden, die mit normal gedüngtem Soja gefüttert wurden. Pflanzen unter Sticktoffmangel emittierten einen qualitativ veränderten herbivor-induzierten Duft. Die beiden Terpene β-Bergamoten und (E,E)-α-Farnesen wurde in höheren Mengen abgegeben, während (Z)-3-Hexenyl-α-Methylbutyrat in geringerer Menge emittiert wurde. Trotz dieser quantitativen Änderung des Duftes war das Wirtsfindeverhalten der Parasitoiden nicht verändert. Schwermetalle können verschiedenste biochemische Signal-u. Stoffwechselwege in Pflanzen beeinflussen, durch das Entstehen reaktiver Sauerstoffspezies (englisch: reactive oxygen species ROS) in Geweben auch Signalwege der pflanzlichen Verteidigung. Die ROS ihrerseits können die Produktion und Freisetzung endogener JA, ein wichtiger Signalstoff in der pflanzlichen Verteidigung, verändern. In dieser Studie wurden hydroponisch kultivierte Maispflanzen verschiedenen erhöhten Kupfer-u. Cadmiumkonzentrationen ausgesetzt. Mais scheint erhöhte Schwermetallmengen vom Spross ausschließen zu können, da die Metalle vor allem in den Wurzeln und nur in geringem Anteil im Spross wiedergefunden wurden. Trotz dieses Ausschlussmechanismuses beeinflussten die Schwermetalle die Aufnahme anderer Metallionen in die Pflanzen. Der Schwermetallüberschuss zusammen mit der eingeschränkten Aufnahme andere Ionen führte zu einem verringerten Wachstum von Wurzeln und Spross sowie verringerter Photosyntheseleistung. Der Futterwert der Pflanzen für die Herbivoren war daher entweder durch direkte toxische Eigenschaften der aufgenommenen Schwermetalle oder indirekt durch Änderung der chemischen Zusammensetzung der Pflanzen verringert. Wurden S. frugiperda Larven mit Maisblättern gefüttert, die hohen Schwermetallkonzentrationen ausgesetzt waren, zeigten sie ein signifikant verringertes Wachstum, bevorzugten in Futterwahltests jedoch weder Blätter von Kontrollpflanzen noch von schwermetallbehandelten Pflanzen. Da Pflanzen, die hohen Kupferkonzentrationen ausgesetzt waren höhere Mengen von herbivor-induzierter JA aufwiesen als Kontrollpflanzen, hatte Kupfer offenbar einen transienten Primingeffekt auf JA. Wie erwartet folgte auf die erhöhte JA-Freisetzung eine erhöhte Emission herbivor-induzierter VOC in mit hohen Kupferkonzentrationen behandelten Pflanzen. Diese Steigerung der Emission war durch eine erhöhte Emission der Grünblattdüfte (E)-3-Hexenal, (Z)-3-Hexenol and (Z)-3-Hexenylacetat und der Terpene Linalool, (E)-α-Bergamoten, (E)-β-Farnesen, und β-Sesquiphellandren bedingt. Das Wirtsfindeverhalten der Parasitoiden blieb jedoch trotz der starken Veränderungen des herbivor-induzierten Pflanzenduftes unbeeinflusst. Wie beschrieben haben die abiotischen Stressfaktoren UV-Strahlung, Stickstoffmangel und Schwermetallbelastung weitreichende Auswirkungen auf die Morphologie und Physiologie von Soja und Maispflanzen, die Larvalentwicklung des Herbivoren S. frugiperda und ebenso auf die Larvalentwicklung des Parasitoiden C. marginiventris. Das Wirtsfindeverhalten des Parasitoiden blieb jedoch trotz Änderungen in den herbivor-induzierten Duftstoffgemischen unbeeinflusst. Daher scheinen Parasitoide eine zuverlässige Verteidigung für Pflanzen und die induzierte indirekte Verteidigung eine gegen abiotischen Stress sehr robuste Art der Herbivorenabwehr darzustellen.
KW  - Mais
KW  - Chemische Ökologie
KW  - Abwehrreaktion
KW  - Sojabohne
KW  - Chemische Ökologie
KW  - Abwehrreaktion
KW  - Chemische Ökologie
KW  - indirekte Verteidigung
KW  - chemical ecology
KW  - indirect defense
KW  - parasitoid
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-54145
ER  - 
TY  - THES
A1  - Attaran, Elham
T1  - Regulation of pathogen-inducible volatile compounds in Arabidopsis and their role in plant defense
N2  - Plants are constantly attacked by pathogenic microbes. As a result, they have evolved a plethora of constitutive and inducible defense responses to defend against attempted pathogen infection. Although volatile organic compounds have been implicated in plant defense, direct evidence of their function in plant resistance is still lacking. I have examined the role of VOCs in Arabidopsis defense against the hemibiotrophic bacterial pathogen Pseudomonas syringae pv. maculicola. The obtained results show that the vegetative parts of Arabidopsis produces and emits the volatile phenylpropanoid MeSA and three kinds of terpenoids, (E,E)-4,8,12-trimethyltrideca-1,3,7,11-tetraene (TMTT), alpha-ionon and beta-farnesen, upon avirulent and virulent P. syringae inoculation. Whereas the most abundant volatiles, MeSA and TMTT, are already produced at early stages of infection in the compatible and incompatible interaction, enhanced emission of alpha-ionon and beta-farnesen can only be detected in later stages of the compatible interaction. It was revealed that pathogen-induced synthesis of TMTT in Arabidopsis requires the JA signaling pathway but occurs independently of SA defense signaling. Similarly, the production of MeSA is dependent on JA signaling but not on the SA defense signaling pathway. Furthermore, production of MeSA is dependent on the function of ISOCHORISMATE SYNTHASE1, which produces its precursor SA. Upon inoculation with avirulent P. syringae, endogenously produced JA activates the JA signalling pathway to mediate MeSA and TMTT synthesis. By contrast, in the compatible Arabidopsis-Psm interaction, production of MeSA predominantly depends on the P. syringea the virulence factor coronatine, which activates JA downstream signaling. To learn more about the role of inducible VOCs in plant defense responses, I have identified an Arabidopsis T-DNA insertions line with a defect in the TERPENE SYNTHASE4 (TPS4) gene. Emission profiles from this mutant revealed that the induced production of TMTT but not of alpha-ionone, beta-farnesene or MeSA are abolished, demonstrating that TPS4 specifically regulates the P. syringae-induced synthesis of TMTT in Arabidopsis. The lack of TMTT in tps4 mutants, however, does not affect plant defense responses and resistance induction against P. syringae. This excludes a role of the terpenoid as an effective phytoalexin in Arabidopsis leaves against the bacterial pathogen. Moreover, tps4 mutant plants are still able to mount a SAR response, excluding a signaling function of TMTT during SAR. An important aim of our studies was to address the defensive role of MeSA, the major VOC emitted from P. syringae-inoculated Arabidopsis leaves. MeSA has been recently proposed as a critical long distance signal in the development of SAR. I found that two independent T-DNA insertions lines with defects in expression of the pathogen-inducible SA methyl transferase gene BSMT1 are completely devoid of pathogen-induced production of MeSA. However, bsmt1 mutant plants are capable to increase the level of SA in systemic, non-infected leaves of Arabodopsis and develop SAR like wild-type plants upon local P. syringae-inoculation. Thus, MeSA does not function as a critical SAR signal in Arabidopsis. Further experiments showed that SA accumulation in distant leaves occurs due to de novo synthesis through isochorismate synthase. In addition, we also ruled out a critical defensive role of MeSA at inoculation sites, because bsmt1 mutants are able to build up SA-dependent defense responses and local resistance in a wild-type-like manner. The conversion of SA to MeSA and subsequently emission of MeSA from the plant might help the plant to detoxify an excess of SA. This process is regulated by the JA pathway and might be one means to mediate negative crosstalk between JA and SA signaling. Moreover, the COR-triggered conversion of SA to MeSA and emission of the volatile methyl ester could be a way by which virulent P. syringae is able to attenuate the SA-defense pathway.
N2  - Pflanzen sind einer ständigen Bedrohung durch phytopathogene Mikroorganismen ausgesetzt und haben deshalb eine Vielzahl von konstitutiven und induzierbaren Abwehrstrategien entwickelt. Die Phytohormone Salicylsäure (SA), Jasmonsäure (JA) und Ethylen sind zum Beispiel entscheidende Regulatoren von induzierten Abwehrmechanismen. Eine Antwort der Pflanze auf mikrobielle Angriffe beinhaltet auch die Emission volatiler organischer Verbindungen (volatile organic compounds - VOCs). Antimikrobielle Wirkungen von VOCs wurden bisher jedoch nur in in-vitro-Assay beobachtet. Ein direkter Beweis für eine mögliche Rolle der VOCs in der Pflanzenabwehr wurde bisher nicht erbracht. Die Rolle pflanzlicher VOCs und deren Bedeutung für die Pathogenabwehr im Modellsystems Arabidopsis thaliana – Pseudomonas syringae ist das zentrale Element dieser Arbeit. Zunächst wurden Terpenoide, die die größte Gruppe der VOCs bilden, untersucht. Vegetative Teile von Arabidopsis emittieren nach Inokulation mit virulenten und avirulenten Stämmen von P. syringae pv. maculicola (Psm) vor allem drei Terpene: das Homoterpen (E,E)-4,8,12-Trimethyl-1,3,7,11-tridecatetraen (TMTT), alpha-Ionon und beta-Farnesen, welches zur Gruppe der Sesquiterpene gehört. Als Hauptkomponente des pathogen-induzierten VOC-Profils wurde das Phenylpropansäurederivat Methylsalicylsäure (MeSA) identifiziert. Um einen besseren Einblick in die Rolle der VOCs in der Pflanzenabwehr zu erhalten, wurden Arabidopsis T-DNA-Insertionslinien des Terpensynthase-gens TPS4 isoliert. Die Emissionsmuster zeigten, dass die induzierbare Freisetzung von TMTT, aber nicht von alpha-Ionon und beta-Farnesen oder MeSA reduziert war. Dies zeigt, dass TPS4 spezifisch die Psm-induzierte TMTT-Synthese in A. thaliana reguliert. Die verringerte Menge TMTT in den tps4-Mutanten hat jedoch keinen Einfluss auf die pflanzlichen Abwehrreaktionen und die Resistenzinduktion gegen P. syringae, was eine Rolle von TMTT als effektives Phytoalexin in A. thaliana gegen bakterielle Pathogene ausschließt. Ebenso hat TMTT keine Signalfunktion bei der Ausbildung der Systemisch erworbenen Resistenz (SAR), da tps4-Mutanten weiterhin in der Lage sind eine SAR-Antwort zu induzieren (Attaran et al. 2008). Als weiteres Teilprojekt wurde die Regulation von pathogen-induzierten VOCs in A. thaliana untersucht. Viele induzierte Abwehrmechanismen beinhalten Signaltransduktionsnetzwerke an denen Salicyl- oder Jasmonsäure beteiligt sind. Mit A. thaliana-Mutanten, die in der SA- oder JA- Synthese oder den jeweiligen Signalwegen beeinträchtigt sind, konnte gezeigt werden, dass die pathogen-induzierte TMTT-Produktion in A. thaliana über den JA-Signalweg, aber unabhängig von Salicylsäure verläuft. Auch die MeSA-Produktion ist JA-abhängig. Für die Biosynthese von SA, genauso wie für deren Derivat MeSA, wird ISOCHORISMAT SYNTHASE1 benötigt, die den MeSA-Vorläufer SA bildet. Im Rahmen einer inkompatiblen Interaktion wird die Bildung von MeSA in Abhängigkeit von der JA-Biosynthese gesteuert. Im Gegensatz dazu ist in der kompatiblen Interaktion die MeSA-Produktion vom bakteriellen Virulenzfaktor Coronatin abhängig. Coronatin-defiziente Stämme von P. syringae sind nicht fähig, eine MeSA-Emission zu induzieren (Attaran et al., 2009). Desweiteren wurde in der vorliegenden Arbeit die Rolle von MeSA in der Pflanzenabwehr untersucht. MeSA ist das VOC, welches von P. syringae-inokulierten A. thaliana-Blättern vorwiegend abgegeben wird. Kürzlich wurde für MeSA eine Signaleigenschaft als Langstreckensignal in der Etablierung der SAR postuliert (Park et al., 2007). Wir konnten zeigen, dass T-DNA Insertionslinien, bei denen keine Expression der pathogeninduzierten SA-Methyltransferase BSMT1 nachgewiesen werden konnte und die somit keine pathogen-induzierte MeSA-Produktion aufwiesen, auch in systemischen, nicht infizierten Blättern nach P. syringae-Inokulation einen erhöhten SA-Spiegel, eine verstärte Expression von Abwehrgenen und eine erhöhte Pathogenresistenz aufwiesen. Diese Mutantenlinien können also die SAR genauso und in demselben Maß wie Wildtyp-Pflanzen entwickeln. Damit konnte gezeigt werden, dass MeSA nicht als zentrales Signal für die Ausbildung der SAR in Arabidopsis wirken kann. Weitere Experimente machten deutlich, dass die SA-Akkumulation in distalen Blättern auf eine de-novo-Synthese durch die Isochorismat-Synthase zurückzuführen ist. Schließlich konnte auch eine wichtige Rolle von MeSA in der Pflanzenabwehr an den Infektionsstellen ausgeschlossen werden, da bsmt1-Mutanten SA-abhängige Abwehrreaktionen und lokale Resistenzantworten in gleicher Weise wie Wildtyp-Pflanzen zeigen (Attaran et al., 2009). Produktion und anschließende Emission von MeSA könnte daher in der Pflanze dazu beitragen, einen toxischen Überschuss an SA abzubauen. Reguliert wird dieser Prozess durch den JA-Signalweg, der dadurch einen negativen Einfluss auf den SAHaushalt der Pflanze innehat. Die Auslösung der MeSA-Produktion von dem bakteriellen Virulenzfaktor COR in der kompatiblen Wechselwirkung könnte eine Strategie von P. syringae sein, die Effizienz der SA-basierenden Abwehr zu verzögern.
KW  - Ackerschmalwand
KW  - Pathogener Mikroorganismus
KW  - Abwehrreaktion
KW  - VOC <Ökologische Chemie>
KW  - Volatiler oraganischer Verbindungen
KW  - Abwehrmechanismen
KW  - Systemisch erworbenen Resistenz
KW  - Volatiole Compounds
KW  - disease resistance
KW  - Systemic acquired resistance
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-46715
ER  -