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Role of cytokinins in plant immunity

Die Rolle der Cytokinins in der Pflanzen-Resistenz

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-37555
  • Phytohormones are known for their pivotal roles in promoting normal growth and development of the plants and contributing to the mechanism of defense. Although an over simplification, however, they may be categorized as stress specific and growth promoting. SA and JA/Ethylene are implicated in stress responses while auxins, cytokinins and gibberellins are involved in developmental processes. Phytohormones from the above perspective got much attention in the last few decades; however their reciprocal role is currently in focus. It is because ofPhytohormones are known for their pivotal roles in promoting normal growth and development of the plants and contributing to the mechanism of defense. Although an over simplification, however, they may be categorized as stress specific and growth promoting. SA and JA/Ethylene are implicated in stress responses while auxins, cytokinins and gibberellins are involved in developmental processes. Phytohormones from the above perspective got much attention in the last few decades; however their reciprocal role is currently in focus. It is because of the reason that plant pathogens cause overall hormonal imbalance at host pathogen interface and alter host physiology for the sake of pathogenecity. Despite their importance in growth and development, cytokinins are among the most neglected phytohormones that are usually noticed as consequence rather than a cause of pathogen infection. Results presented in this thesis are based on the hypothesis that elevated levels of CKs embody plants with resistance against hemibiotrophic pathogens. To explore a connection between the spread of P. syringae and its tobacco host, CKs over producing transgenic plants were investigated whereby bacterial IPT gene was expressed under the control of pathogen inducible, tetracycline inducible and developmentally inducible promoters. To further validate the out-come of transgenic plants, various types of cytokinins were exogenously fed to detached tobacco leaves. Mentioned transgenics and exogenous CKs feeding approaches unanimously resulted in, “more cytokinins less disease symptoms” and vice versa. This state of cytokinins mediated resistance was further substantiated with various cellular, signaling, biochemical and microbial approaches wherein levels of SA and JA remained unaffected. Conversely, PR1 gene expression was strongly up-regulated in enhanced cytokinins accumulating samples. Moreover, less accumulation of ROS was observed in IPT expressing sites of the plants as compared to their corresponding controls. Additionally, we neither noticed any direct effect of cytokinins on the growth of P. syringae pv. tabaci nor found presence of anti-microbial peptides in cytokinins enriched extracts. Interestingly, enhanced accumulation of phtyoalexins in elevated CKs status of the plant proved to be a possible gesture in jeopardizing the spread of pathogen. Contrarily, no reduction was observed in the spread of fungal necrotrophic pathogen Sclerotinia sclerotiorum when leaves of elevated CKs were inoculated. Besides host-pathogen interaction in perspective of elevated cytokinins, impact of modulated sugar status of the plant on the spread of pathogen was also investigated. For this purpose, previously generated modulated invertase enzyme tobacco transgenic plants were analyzed. We showed that repression and de-repression of CIN1 gene under the control of tetracycline inducible-promoter did not affect the growth of P. syrinage pv. tabaci in Tet::CIN1 transgenic plants. Moreover, invertase inhibitor tobacco lines expressing NtCIF gene under the control of the same promoter failed to exhibit differential pathogenic responses in induced and non induced status of the plant. Similar was the case of tomato transgenic plants expressing NtCIF gene under the control of invertase gene Lin6 promoter in Lin6:: NtCIF plants for P.syringae pv. tomato DC 3000. Interestingly, when challenged Lin6:: NtCIF tomato plants with Botrytis cinerea, severe disease symptoms were observed on transgenic leaves as compared to control plants. To dissect a potential link between cytokinins and sugar metabolism with its effect on the growth of pathogen, invertase transgenic plants with elevated CKs were probed. When expressed exogenous IPT gene under the control of pathogen inducible promoter (4xJERE::IPT) in transgenic background of Tet::CIN1, we observed localized differences in symptom development for P.syringae pv. tabaci. Similarly, when exogenously fed with kinetin, detached leaves of Tet::CIN1 exhibited retarded growth of P.syringae pv. tabaci as compared to the tetracycline induced leaves. These results led to the conclusion that extracellular invertase may not play an essential role in cytokinins mediated disease resistance against hemibiotrophic pathogens.show moreshow less
  • Phytohormone spielen eine zentrale Rolle in der Regelung normalen Wachstums, der Entwicklung und der Mitwirkung an Abwehrmechanismen in Pflanzen. Allgemein betrachtet können Phytohormone in zwei Klassen unterteilt werden – in solche, die in Beziehung zu Stressreaktionen stehen und in jene, die das Wachstum begünstigen. Salizylsäure, und Jasmonsäure sind in erster Linie an der Stressresonanz, Ethylen, Auxine, Cytokinine (CKs) und Gibberilline an Entwicklungsprozessen beteiligt. In den letzten Jahrzehnten wurde den Phytohormonen aus diesemPhytohormone spielen eine zentrale Rolle in der Regelung normalen Wachstums, der Entwicklung und der Mitwirkung an Abwehrmechanismen in Pflanzen. Allgemein betrachtet können Phytohormone in zwei Klassen unterteilt werden – in solche, die in Beziehung zu Stressreaktionen stehen und in jene, die das Wachstum begünstigen. Salizylsäure, und Jasmonsäure sind in erster Linie an der Stressresonanz, Ethylen, Auxine, Cytokinine (CKs) und Gibberilline an Entwicklungsprozessen beteiligt. In den letzten Jahrzehnten wurde den Phytohormonen aus diesem Betrachtungswinkel starke Aufmerksamkeit gewidmet und heute stehen ihre wechselseitigen Beeinflussungen im Fokus. Die Tatsache, dass Pflanzenpathogene ein hormonelles Ungleichgewicht an der Wirtspflanzen-Pathogen Schnittstelle bedingen und es begleitend zu physiologischen Veränderungen kommt, wird dabei als Werkzeug für Erforschungen in Pflanzengeweben genutzt. Abgesehen von der bekannten Bedeutung, die Cytokinine für Wachstum und Entwicklung haben, sind sie bisher am meisten vernachlässigt worden und eher als Konsequenz denn als Grund von Pathogeninfektionen angesehen worden. Die Ergebnisse dieser Arbeit basieren auf der Hyphothese, dass erhöhte Gehalte an CKs die Pflanzen mit einer Resistenz gegen hemibiotrophe Pathogene ausstatten. In diesem Zusammenhang wurden transgenetische Pflanzen untersucht, in welchen das bakterielle Gen IPT überexpremiert wurde. Kontrolliert wurde die Expression durch einen pathogen-induzierbaren, einen tetracyclin-induzierbaren oder durch einen wachstumsabhängigen Promotor. Für die weitere Validierung der an den transgenetischen Pflanzen gewonnenen Ergebnisse wurden unterschiedliche Cytokinin von abgeschnittenen Tabakblätter aufgenommen. Alle transgenetischen Ansätze und exogen applizierten Cytokiningaben zeigten ähnliche verringerte Krankheitsanzeichen. Diese Art der Resistenz wurde im Weiteren mit verschiedenen zellulären, biochemischen, mikrobiellen Techniken sowie durch Signalwirkungstests fundiert. Die Gehalte von SA und JA blieben unverändert, während die Expression des Gens PR1 in Proben mit erhöhtem Cytokiningehalt stark hoch reguliert wurde. Darüber hinaus konnte eine verringerte Akkumulation von ROS in IPT exprimierenden Blättern gegenüber der entsprechende Kontrolle beobachtet wurden. Zusätzlich konnte weder ein direkter Effekt im Wachstum von P. syringae pv. tabaci noch die Präsenz von antimikrobiellen Peptiden in Cytokinin-angereicherten Extrakten festgestellt werden. Interessanterweise ist die verstärkte Akkumulation von Phytoalexinen bei erhöhtem CKs-Status der Pflanze als ein mögliches Anzeichen für die Gefährdung durch die Ausbreitung von Pathogenen belegt. Im Gegensatz dazu konnten wir keine Wachstumsverlangsamung für Sclerotinia sclerotiorum in Blättern mit erhöhten CKs-Gehalten feststellen. Neben der Wirt-Pathogen Interaktion im Hinblick auf erhöhte CK-Gehalte wurden die Auswirkungen eines modulierten Kohlenstoffhaushalts auf das Wachstum von Pathogenen untersucht. Dafür wurden zuvor generierte transgenetische Tabakpflanzen, basierend auf ein regulierbarem Invertase Enzym verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass induzierte und nicht-induzierte Expression von CIN1 unter der Kontrolle des Tet-Promotors das Wachstum von P. syringae pv. tabaci nicht beeinflusst. Darüber hinaus zeigten Linien, welche den Invertaseinhibitor NtCIF unter Kontrolle desselben Tet-Promotors exprimieren, keine differenzielle Veränderung des Wachstums von P. syringae pv. tabaci bei induziertem und nicht-induziertem Status der Pflanze. Ähnlich waren die Resultate in der transgenetischen Tomaten-Linie Lin6::NtCIF für P.syringae pv. tomato DC 3000. Interessanterweise zeigten die Blätter von Lin6::NtCIF Tomatenpflanzen starke Symptome nach Behandlung mit Botrytis cinerea verglichen zum Wildtyp. Eine mögliche Verbindung zwischen Cytokininen und Zuckermetabolismus im Bezug auf die Wirt-Pathogen Beziehung wurde ebenfalls untersucht. Die Expression des IPT-Gens unter der Kontrolle des pathogeninduzierbaren Promotors (4xJERE::IPT) im transgenetischen Hintergrund von Tet::CIN1 ergab lokale Unterschiede in der Entwicklung der Symptom von P. syringae pv. tabaci. Bei exogen appliziertem Kinetin an abgeschnittenen Tabakblättern von Tet::CIN1 verzögerte sich ebenfalls das Wachstum von P. syringae pv. Tabaci im Vergleich zu Tet-induzierten Blättern. Diese Ergebnisse führen zu der Schlussfolgerung, dass die extrazelluläre Invertase keine essentielle Rolle in der Cytokinin-vermittelten Resistenz gegen hemibiotrophe Pathogene spielt.show moreshow less

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Metadaten
Author: Muhammad Naseem
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-37555
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Biologie
Faculties:Fakultät für Biologie / Julius-von-Sachs-Institut für Biowissenschaften
Date of final exam:2009/07/27
Language:English
Year of Completion:2009
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
GND Keyword:Pflanzenhormon; Cytokinine; Phytoalexine; Pseudomonas syringae
Tag:Cytokinin; Phytoalexin; Phytohormone; Pseudomonas syringae
Cytokinins; Phytoalexins; Plant Hormones; Plant immunity; Pseudomonas syringae pv. tabaci
Release Date:2011/05/23
Advisor:Prof. Dr. Thomas Roitsch
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht