Ahmed Nazeer

• The present study was aimed at revealing the early signalling events during the interaction of the diazotrophic soil bacterium Azospirillum brasilense with its host plant Arabidopsis thaliana. Furthermore, taking advantage of the micro array technique, a comprehensive overview of Arabidopsis genes has been undertaken which are affected upon association with A. brasilense The characterization of the early responses of Arabidopsis plants upon inoculation with Azospirillum brasilense strain Sp7 clearly indicated parallels with the initial eventsThe present study was aimed at revealing the early signalling events during the interaction of the diazotrophic soil bacterium Azospirillum brasilense with its host plant Arabidopsis thaliana. Furthermore, taking advantage of the micro array technique, a comprehensive overview of Arabidopsis genes has been undertaken which are affected upon association with A. brasilense The characterization of the early responses of Arabidopsis plants upon inoculation with Azospirillum brasilense strain Sp7 clearly indicated parallels with the initial events in plant pathogen interaction. For instance, not only bacterial preprations (lysates) form Azospirillum elicited an apoplastic alkalinization of the culture medium, but also the live bacteria, which were even more effective. Besides, in a luminol based assay, the bacterial lysates triggered production of the reactive oxygen species (ROS) in the Arabidopsis leaf discs. Interestingly, the elongation factor receptor mutants (efr) were completely insensitive to Azospirillum, suggesting elongation factor Tu (EF-TU) recognition as elicitor by Arabidopsis. This hypothesis was further validated with a bioinformatic approach. The N terminus initial 26 amino acids from Azospirillum EF-TU gene (elf26) showed more similarity to the elf26 sequences of bacteria like Agrobacterium tumefaciens which elicit responses in the plants through EF-TU rather than Pseudomonas syringae where the potent elicitor is flagellin 22. Universal transcriptome profiling of Arabidopsis thaliana seedlings upon inoculation with Azospirillum brasilense over a time course of six, twenty four and ninty six hours revealed very little genetic responses in the early time points. However, a bulk of genes was differentially regulated in 96 hours post inoculation (96hpi). The nature of these genes indicated that the bacterial treatment, among others, greatly affect the processes like cell wall modification, hormone metabolism, stress and secondary metabolism. Additionally expression levels of a numer of transcription factors (TFs) related to basic helix loop helix (BHLH) and MYB domain containing TF families were altered with Azospirillum inoculation. Particularly the BHLH TFs were among the most highly regulated genes. The array results from Azospirillum treated plants were further compared with the already available data emnating from treatment with flagellin 22 (flg22), oligogalacturonides (OGs) and Agrobacterium tumefaciens. Noteworthy, very different set of genes were affected upon inoculation with Azospirillum in relation to other treatments. Secondly a cluster of proteins involved in the biosynthesis of aliphatic glucosinolates (GSL) were uniquely induced upon Sp7 exposure. Genes operating in flavonoid biosynthesis also showed a distinct regulation trend in the comparative analysis. Taken together, the study in question provides insights into the early signalling events in the context of Azospirillum-Arabidopsis association and the bacterial signals recognized by the plants. The array data, at the same time, elucidates the genetic factors of Arabidopsis triggered upon association with Azospirillum brasilense.…
• Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den physiologischen und genetischen Reaktionen im Zuge der Interaktion von Arabidopsis thaliana mit dem freilebenden, Stickstoff-fixierenden Bodenbakterium Azospirillum brasilense. Qualitativ konnten gemeinsame Mechanismen der frühen physiologischen Antworten von Arabidopsis auf Lysate von mutualistischen (Azospirillum brasilense) oder pathogenen (Pseudomonas syringae und Agrobacterium tumefaciens) Mikroorganismen festgestellt werden. So reagierten Arabidopsis (Col-0 ) Pflanzen auf Lysate dieser BakterienDie vorliegende Arbeit befasst sich mit den physiologischen und genetischen Reaktionen im Zuge der Interaktion von Arabidopsis thaliana mit dem freilebenden, Stickstoff-fixierenden Bodenbakterium Azospirillum brasilense. Qualitativ konnten gemeinsame Mechanismen der frühen physiologischen Antworten von Arabidopsis auf Lysate von mutualistischen (Azospirillum brasilense) oder pathogenen (Pseudomonas syringae und Agrobacterium tumefaciens) Mikroorganismen festgestellt werden. So reagierten Arabidopsis (Col-0 ) Pflanzen auf Lysate dieser Bakterien mit einem Anstieg der cytosolischen Calcium-Konzentration sowie des extrazellulären pH Werts, mit der Bildung reaktiver Sauerstoffspezies und einer Depolarisierung des Membranpotentials. Diese Antworten untschieden sich jedoch zum Teil erheblich in ihrer Amplitude. Weitere Untersuchungen konnten zeigen, dass Flagellenproteine von Azospirillum nicht durch Arabidopsis erkannt werden. Somit unterscheidet sich der Erkennungsmechanismus der Azospirillen von dem der Pseudomonaden, welche aufgrund ihrer Flagellenproteine durch den FLAGELLINSENSING-2 (FLS2) Rezeptor in Arabidopsis perzipiert werden. Die Arabidopsis Mutante ELONGATIONFACTOR RECEPTOR (efr) war insensitiv gegenüber Azospirillumlysaten. Dies legte nahe, dass die Erkennung von Azosprillum über eine Erkennung des bakteriellen Elongationsfaktors (EF-Tu) durch den EFR Rezeptor verläuft. Die anschließende Klonierung des Azospirillum EF-Tu Gens zeigte positionspezifische Unterschiede in der abgeleiteten Aminosäuresequenz gegenüber Referenzsequenzen aus Escherichia coli oder Agrobacterium tumefaciens und erklärt somit die „imperfekte“ Erkennung durch den EFR Rezeptor. Der zeitliche Verlauf der genetischen Antwort von Arabidopsis im Zuge der Interaktion mit Azospirillum wurde mit Hilfe „Micro-Array“ basierter Transkriptionansanalysen 6, 24 und 96 Stunden nach Inokulation (hpi) der Pflanzen untersucht. Dabei wurden nach 6 und 24 hpi lediglich 30 bzw. 60 differenziell regulierte Transkripte gefunden. Diese Beobachtung steht im Gegensatz zu Studien pathogener Elizitoren wie Flagellinen, in welchen bereits nach wenigen Stunden mehr als eintausend differenziell regulierte Transkripte in Arabidopsis gefunden wurden. Dieser Effekt konnte in den Interaktionsstudien mit Azospirillum erst nach 96 hpi beobachtet werden. Die Analyse der genetischen Antwort ergab, dass 96 hpi insbesondere Gene in ihrer Expression verändert waren, deren Produkte im Zusammenhang mit Zellwandmodifikationen, dem Hormonmetabolismus, der Stressanpassung sowie der sekundären Metabolismus stehen. Darüber hinaus konnten Gene aus der Familie der sog. „basic-helix-loop-helix“ und „MYB“ Transkriptionsfaktoren identifiziert werden, die einer spezifischen Regulation durch Azospirillum unterlagen. Die vergleichende Analyse der Araydaten mit Datensätzen, die im Zuge von Pathogen-Arabidopsis Interaktionen gewonnen wurden zeigte, dass insbesondere die Biosynthese von aliphatischen Glykosiden und Flavonolen eine typische Antwort der Pflanze auf die mutualistischen Azospirillum Bakterien darstellt. Die vorgestellte Arbeit liefert somit erste Erkenntnisse zur physiologischen und genetischen Antwort von Arabidopsis auf Azospirillum und ermöglicht die vergleichende Betrachtung dieser Antworten im Kontext der Interaktion von Pflanzen mit pathogenen Mikroorganismen. Die im Rahmen dieser Arbeit identifizierten, differenziell regulierten Gene bieten neue Ansatzpunkte zum vertieften Studium der Wechselwirkung von mutualistischen, wachstumsfördernden Bakterien mit höheren Pflanzen.…