TY  - THES
A1  - Schumacher, Julia
T1  - Regulation and function of STERILE APETALA in Arabidopsis flower development
N2  - STERILE APETALA (SAP) is known to be an essential regulator of flower development for over 20 years. Loss of SAP function in the model plant Arabidopsis thaliana is associated with a reduction of floral organ number, size and fertility. In accordance with the function of SAP during early flower development, its spatial expression in flowers is confined to meristematic stages and to developing ovules. However, to date, despite extensive research, the molecular function of SAP and the regulation of its spatio-temporal expression still remain elusive.
In this work, amino acid sequence analysis and homology modeling revealed that SAP belongs to the rare class of plant F-box proteins with C-terminal WD40 repeats. In opisthokonts, this type of F-box proteins constitutes the substrate binding subunit of SCF complexes, which catalyze the ubiquitination of proteins to initiate their proteasomal degradation. With LC-MS/MS-based protein complex isolation, the interaction of SAP with major SCF complex subunits was confirmed. Additionally, candidate substrate proteins, such as the growth repressor PEAPOD 1 and 2 (PPD1/2), could be revealed during early stages of flower development. Also INDOLE-3-BUTYRIC ACID RESPONSE 5 (IBR5) was identified among putative interactors. Genetic analyses indicated that, different from substrate proteins, IBR5 is required for SAP function. Protein complex isolation together with transcriptome profiling emphasized that the SCFSAP complex integrates multiple biological processes, such as proliferative growth, vascular development, hormonal signaling and reproduction. Phenotypic analysis of sap mutant and SAP overexpressing plants positively correlated SAP function with plant growth during reproductive and vegetative development.
Furthermore, to elaborate on the transcriptional regulation of SAP, publicly available ChIP-seq data of key floral homeotic proteins were reanalyzed. Here, it was shown that the MADS-domain transcription factors APETALA 1 (AP1), APETALA 3 (AP3), PISTILLATA (PI), AGAMOUS (AG) and SEPALLATA 3 (SEP3) bind to the SAP locus, which indicates that SAP is expressed in a floral organ-specific manner. Reporter gene analyses in combination with CRISPR/Cas9-mediated deletion of putative regulatory regions further demonstrated that the intron contains major regulatory elements of SAP in Arabidopsis thaliana.
In conclusion, these data indicate that SAP is a pleiotropic developmental regulator that acts through tissue-specific destabilization of proteins. The presumed transcriptional regulation of SAP by the floral MADS-domain transcription factors could provide a missing link between the specification of floral organ identity and floral organ growth pathways.
KW  - STERILE APETALA
KW  - SAP
KW  - flower development
KW  - organ size
KW  - F-box
KW  - WD40
KW  - SCF complex
KW  - ubiquitin
KW  - proteasomal degradation
KW  - MADS
Y1  - 2019
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gulati, Sneha
T1  - Impact of individual and combined abiotic and biotic stress on plant performance and bacterial root microbiota of tomato
N2  - Nutzpflanzen sind zunehmend mit sowohl individuellem als auch kombiniertem abiotischem und biotischem Stress konfrontiert, die Wachstum und Ertrag stark beeinträchtigen. Pflanzen sind mit einer großen Anzahl an Mikroorganismen assoziiert, die sowohl nützlich als auch pathogen wirken können. Aufgrund der positiven Wirkung von nützlichen Mikroorganismen auf Wachstum und Gesundheit von Pflanzen ist dieses Potenzial in nachhaltigen Pflanzenproduktionssystemen zu nutzen. Kenntnisse darüber, wie individueller und kombinierter Stress die Leistung der Pflanze einschließlich deren Mikrobiom beeinflussen, sind derzeit begrenzt. Es stellt sich daher die Frage, wie abiotische Bedingungen (Salzstress, Trockenheit) insbesondere in Kombination mit biotischem Stress (Verticillium dahliae, Fusarium oxysporum) die Mikrobiota der Wurzel beeinflussen und dies die Leistung der Pflanze. Ziel dieser Arbeit war es, das Verständnis der Auswirkungen von individuellem und kombiniertem biotischem und abiotischem Stress auf die endophytische Mikrobiota der Wurzel und die Leistung der Pflanze zu verbessern. Die Untersuchungen erfolgen an der wirtschaftlich bedeutenden gartenbaulichen Kultur Tomate. Die Struktur der bakteriellen endophytischen Mikrobiota der Tomatenwurzel in Abhängigkeit von individuellem und kombiniertem abiotischem und biotischem Stress wurde mit kulturunabhängigen und -abhängigen Methoden analysiert. Die Ergebnisse der Analysen mittels beider Methoden zeigen, dass sowohl abiotische als auch biotische Stressbedingungen signifikant die Struktur der endophytischen Mikrobiota der Wurzel verändern und sich dies auf die Produktivität der Pflanze auswirkt. Insgesamt wurden 683 kultivierbare bakterielle Endophyten hinsichtlich ihrer pflanzenwachstumsfördernden (PGP) Eigenschaften in in vitro und in vivo charakterisiert. Im Ergebnis kulturabhängiger Analysen wurden Endophyten mit wiederholt positiver Wirkung auf das Pflanzenwachstum von Tomate unter individuellem und kombiniertem abiotischen und biotischen Stress selektiert. Die Behandlung von Pflanzen mit diesen nützlichen Mikroorganismen reduzierte den negativen Einfluss von Stress auf das Pflanzenwachstum. Im Weiteren können diese nützlichen Mikroorganismen zu Produkten für die Nutzung in nachhaltigen Pflanzensystemen entwickelt werden. Dazu sind jedoch weitere Untersuchungen insbesondere unter Feldbedingungen notwendig. Zukünftige Arbeiten sollten sich zudem auf die Verbesserung des Verständnisses der Funktionen von Endophyten in der Wurzel konzentrieren. Diese Kenntnisse könnten die Entwicklung neuer Strategien für den Pflanzenschutz unterstützen.
N2  - Recently crops encounter an increased number of individual and combined abiotic and biotic stress, which severely affect their growth and yield. Plants are associated with a large number of microorganisms including beneficial as well as pathogenic microorganisms. The interaction of plants with beneficial microorganisms can exert a substantial impact on plant growth and health and their potential can be utilized in sustainable plant production systems. Currently, climate change will increase the impact of stress on crops which will more likely be exposed to combined abiotic and biotic stress. At present, knowledge on how abiotic and biotic stress and the combination of both stresses affect the plant performance and the microbiome is limited. Soil-borne pathogens are responsible for relevant economic losses and are difficult to control. The root bacterial endophytes have shown potential in alleviating stress on plants and improving crop yield and quality. This raises the question how individual abiotic stress like salinity (ionic) and drought (osmotic) and the combination with biotic stress (Verticillium dahliae or Fusarium oxysporum) affects the root microbiota and thus the performance of the plant. Therefore, the goal of this thesis was to improve the understanding of the impact of individual and combined biotic and abiotic stress especially the endophytic root microbiota and thus plant performance. The work is focused on the economically important horticultural crop tomato. The bacterial rootendophytes of tomato plants exposed to individual and combined abiotic and biotic stress was studied with culture-independent and culture-dependent methods. Bacterial root endophytes obtained from tomato roots exposed to individual and combined stress were characterized for their traits that are beneficial to plant growth and health in in vitro and in vivo assays. Finally, the efficacy of selected endophytes in alleviating individual and combined abiotic and biotic stress in tomato plants was assessed. Furthermore, stress conditions can alter the composition of root exudates and volatiles, which may in turn affect the root microbiota assembly. Therefore, the volatile profiles of healthy and pathogen (F. oxysporum) infected tomato roots grown in soil was investigated. A soil olfactometer was established to study the impact of root volatiles of healthy and infected tomato on migration of applied beneficial bacteria. The results of tomato characteristics (plant growth, photosynthesis rate) confirmed the negative effect of individual abiotic and biotic stress reported in other studies. However, the response of combined abiotic stress with biotic stress on plant growth varied depending on the type of combined stress.. For instance, a significant higher negative impact on plant growth was observed when tomato plants were cultivated under ionic stress and infected with F. oxysporum. No additional negative effect on plant growth was observed when tomato was infected with V. dahliae. Both culture-dependent and cultureindependent analyses of the root microbiota revealed that individual and combined abiotic and biotic stress alter the root microbiota structure and diversity of tomato. A significantly lower number of cultivable root endophytes was obtained from roots exposed to ionic stress. 16S rRNA amplicon analysis revealed a stronger impact on the diversity of root-associated bacteria in comparison to biotic stress. The endophytes were characterized as member of the phyla Proteobacteria, Actinobacteria and Firmicutes, and members of Bacteriodetes were only detected by culture-independent approach. A total of 683 cultivable bacterial endophytes were characterized using various in vitro and in vivo plant growth-promoting (PGP) assays. As expected, the highest number of root endophytes with tolerance to ionic stress were obtained from tomato roots exposed to ionic stress. Comparably, a high percentage of root endophytes isolated from roots exposed to osmotic were tolerant to osmotic stress showing that the environment affects the selection of microorganisms by the plant. Interestingly, endopyhtes obtained from roots exposed to abiotic stress showed no traits related to plant growth promotion. Based on in vivo and in vitro traits, five selected endophytes were able to alleviate abiotic and biotic stress on plants. These endophytes were obtained from tomato roots infected with V. dahliae. The blend of root emitted volatiles also differed between healthy and F. oxysporum infected tomato plants. The olfactometer setup results highlighted that root volatiles were involved in attraction of bacteria to the plant roots and beneficial bacteria were observed to migrate towards both, diseased and healthy plants in comparable density. It is proposed that root volatiles from healthy and pathogen infected plants not only work as signals but are also used as an energy source for the rhizosphere bacteria. Concluding, the results of this study indicate that abiotic and biotic stress altered the bacterial rootendophytes and thus affects plant performance. The treatment of plants with beneficial microorganisms reduced the negative impact of stress conditions on plant performance. However, more studies using the selected isolates must be performed in the field for drawing inferences on the efficacy of the selected bacterial isolates in ameliorating the effect of abiotic and biotic stress in plants. The extensive isolate collection will serve as a basis for conducting investigations of root-associated bacteria on plant performance. This is important for the development of new plant protection strategies.
KW  - F. oxysporum
KW  - V. dahliae
KW  - root volatiles
KW  - root microbiota
KW  - plant-microbe interaction
KW  - tomato(Solanum lycopersicum)
Y1  - 2020
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - THES
A1  - Raffeiner, Margot
T1  - Funktionelle Charakterisierung des Xanthomonas Typ-III Effektorproteins XopS
T1  - Functional characterisation of the Xanthomonas type-III effector protein XopS
N2  - Angepasste Pathogene besitzen eine Reihe von Virulenzmechanismen, um pflanzliche Immunantworten unterhalb eines Schwellenwerts der effektiven Resistenz zu unterdrücken. Dadurch sind sie in der Lage sich zu vermehren und Krankheiten auf einem bestimmten Wirt zu verursachen. Eine essentielle Virulenzstrategie Gram-negativer Bakterien ist die Translokation von sogenannten Typ-III Effektorproteinen (T3Es) direkt in die Wirtszelle.  Dort stören diese die Immunantwort des Wirts oder fördern die Etablierung einer für das Pathogen günstigen Umgebung. Eine kritische Komponente der Pflanzenimmunität gegen eindringende Pathogene ist die schnelle transkriptionelle Umprogrammierung der angegriffenen Zelle. Viele adaptierte bakterielle Pflanzenpathogene verwenden T3Es, um die Induktion Abwehr-assoziierter Gene zu stören. Die Aufklärung von Effektor-Funktionen, sowie die Identifikation ihrer pflanzlichen Zielproteine sind für das Verständnis der bakteriellen Pathogenese essentiell. Im Rahmen dieser Arbeit sollte das Typ-III Effektorprotein XopS aus Xanthomonas campestris pv. vesicatoria (Xcv) funktionell charakterisiert werden. Zudem lag hier ein besonderer Fokus auf der Untersuchung der Wechselwirkung zwischen XopS und seinem in Vorarbeiten identifizierten pflanzlichen Interaktionspartner WRKY40, einem transkriptionellen Regulator der Abwehr-assoziierten Genexpression. Es konnte gezeigt werden, dass XopS ein essentieller Virulenzfaktor des Phytopathogens Xcv während der präinvasiven Immunantwort ist. So zeigten xopS-defiziente Xcv Bakterien bei einer Inokulation der Blattoberfläche suszeptibler Paprika Pflanzen eine deutlich reduzierte Virulenz im Vergleich zum Xcv Wildtyp. Die Translokation von XopS durch Xcv, sowie die ektopische Expression von XopS in Arabidopsis oder N. benthamiana verhinderte das Schließen von Stomata als Reaktion auf Bakterien bzw. einem Pathogen-assoziierten Stimulus, wobei zudem gezeigt werden konnte, dass dies in einer WRKY40-abhängigen Weise geschieht. Weiter konnte gezeigt werden, dass XopS in der Lage ist, die Expression Abwehr-assoziierter Gene zu manipulieren. Dies deutet darauf hin, dass XopS sowohl in die prä-als auch in die postinvasive, apoplastische Abwehr eingreift. Phytohormon-Signalnetzwerke spielen während des Aufbaus einer effizienten pflanzlichen Immunantwort eine wichtige Rolle. Hier konnte gezeigt werden, dass XopS mit genau diesen Signalnetzwerken zu interferieren scheint. Eine ektopische Expression des Effektors in Arabidopsis führte beispielsweise zu einer signifikanten Induktion des Phytohormons Jasmonsäure (JA), während eine Infektion von suszeptiblen Paprika Pflanzen mit einem xopS-defizienten Xcv Stamm zu einer ebenfalls signifikanten Akkumulation des Salicylsäure (SA)-Gehalts führte. 
So kann zu diesem Zeitpunkt vermutet werden, dass XopS die Virulenz von Xcv fördert, indem JA-abhängige Signalwege induziert werden und es gleichzeitig zur Unterdrückung SA-abhängiger Signalwege kommt. Die Virus-induzierte Genstilllegung des XopS Interaktionspartners WRKY40a in Paprika erhöhte die Toleranz der Pflanze gegenüber einer Xcv Infektion, was darauf hindeutet, dass es sich bei diesem Protein um einen transkriptionellen Repressor pflanzlicher Immunantworten handelt. Die Hypothese, dass WRKY40 die Abwehr-assoziierte Genexpression reprimiert, konnte hier über verschiedene experimentelle Ansätze bekräftigt werden. So wurde beispielsweise gezeigt, dass die Expression von verschiedenen Abwehrgenen einschließlich des SA-abhängigen Gens PR1 und die des Negativregulators des JA-Signalwegs JAZ8 von WRKY40 gehemmt wird. Um bei einem Pathogenangriff die Abwehr-assoziierte Genexpression zu gewährleisten, muss WRKY40 als Negativregulator abgebaut werden. Vorarbeiten zeigten, dass WRKY40 über das 26S Proteasom abgebaut wird. In der hier vorliegenden Studie konnte weiter bestätigt, dass der T3E XopS zu einer Stabilisierung des WRKY40 Proteins führt, indem er auf bislang ungeklärte Weise dessen Abbau über das 26S Proteasom verhindert. Die Ergebnisse aus der hier vorliegenden Arbeit lassen die Vermutung zu, dass die Stabilisierung des Negativregulators der Immunantwort WRKY40 seitens XopS dazu führt, dass eine darüber vermittelte Manipulation der Abwehr-assoziierten Genexpression, sowie eine Umsteuerung phytohormoneller Wechselwirkungen die Ausbreitung von Xcv auf suszeptiblen Paprikapflanzen fördert. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, weitere potentielle in planta Interaktionspartner von XopS zu identifizieren die für seine Interaktion mit WRKY40 bzw. für die Aufschlüsselung seines Wirkmechanismus relevant sein könnten. So konnte die Deubiquitinase UBP12 als weiterer pflanzlicher Interaktionspartner sowohl von XopS als auch von WRKY40 gefunden werden. Dieses Enzym ist in der Lage, die Ubiquitinierung von Substratproteinen zu modifizieren und seine Funktion könnte somit ein Bindeglied zwischen XopS und dessen Interferenz mit dem proteasomalen Abbau von WRKY40 sein. Während einer kompatiblen Xcv-Wirtsinteraktion führte die Virus-induzierte Genstilllegung von UBP12 zu einer reduzierten Resistenz der Pflanze gegenüber des Pathogens Xcv, was auf dessen positiv-regulatorische Wirkung während der Immunantwort hindeutet. Zudem zeigten Western Blot Analysen, dass das Protein WRKY40 bei einer Herunterregulierung von UBP12 akkumuliert und dass diese Akkumulation von der Anwesenheit des T3Es XopS zusätzlich verstärkt wird. Weiterführende Analysen zur biochemischen Charakterisierung der XopS/WRKY40/UBP12 Interaktion sollten in Zukunft durchgeführt werden, um den genauen Wirkmechanismus des XopS T3Es weiter aufzuschlüsseln.
N2  - Adapted pathogens have acquired a number of virulence mechanisms to suppress plant immune responses below a threshold of effective resistance and are thus able to replicate and cause disease on a given host. Virulence mechanisms include the translocation of so-called type-III effector proteins (T3Es) directly into the host cell, where they disrupt immune responses or assist the pathogen to establish a beneficial environment. A critical component of plant immunity against invading pathogens is rapid transcriptional reprogramming of the targeted cell to minimize virulence. Many adapted bacterial plant pathogens use T3Es to interfere with the induction of defense-associated genes. Due to the fact that for most of the T3Es studied to date their target proteins in the host are unknown, it is often unclear by which mechanisms these defense responses are disrupted. Thus, the elucidation of effector functions, as well as the identification of their plant target proteins, are necessary for the understanding of bacterial pathogenesis. In this work, the type-III effector protein XopS from Xanthomonas campestris pv. vesicatoria (Xcv) was functionally characterized. In addition, a particular focus of this characterization was to investigate the interaction between XopS and its plant interaction partner WRKY40, a transcriptional regulator of defense-associated gene expression, identified in preliminary work. XopS was shown to be an essential virulence factor of the phytopathogen Xcv during the preinvasive immune response. Thus, xopS-deficient Xcv bacteria showed significantly reduced virulence when inoculated on the leaf surface of susceptible pepper plants compared to Xcv wild type. Translocation of XopS by Xcv, as well as ectopic expression of XopS in Arabidopsis or N. benthamiana, prevented stomatal closure in response to bacteria or a pathogen-associated stimulus, respectively, and it was further shown that this occurs in a WRKY40-dependent manner. Additionally, XopS was shown to be able to manipulate the expression of defense-associated genes. This suggests that XopS interferes with both preinvasive and postinvasive apoplastic defense mechanisms. Phytohormone signaling networks play an important role during the establishment of an efficient plant immune response. Here, it was shown that XopS appears to interfere with these signaling networks. For example, ectopic expression of the effector in Arabidopsis led to a significant induction of the phytohormone jasmonic acid (JA), while infection of susceptible pepper plants with a xopS-deficient Xcv strain resulted in an equally significant accumulation of the salicylic acid (SA) content. Thus, at this stage it can be speculated that XopS promotes the virulence of Xcv by inducing JA-dependent signaling pathways and simultaneously suppressing SA signaling pathways via it. 
In this work, it was confirmed that XopS interacts not only with WRKY40 from N. benthamiana but also with its orthologous proteins from Arabidopsis (AtWRKY40) and pepper (CaWRKY40a). Virus-induced gene silencing of WRKY40a in bell pepper increased plant tolerance to Xcv infection, suggesting that this protein is a transcriptional regulator that suppresses induction of plant immune responses. The hypothesis that WRKY40 is a transcriptional repressor of defense-associated gene expression was corroborated here via several experimental approaches. For example, the expression of several defense genes including the SA-dependent gene PR1 and that of the negative regulator of the JA pathway JAZ8 was shown to be inhibited by WRKY40. To ensure defense-associated gene expression during pathogen attack, WRKY40 as a negative regulator must be removed to allow expression of defense genes. Preliminary work showed that WRKY40 is degraded via the 26S proteasome. The present study further confirmed that the T3E XopS leads to stabilization of WRKY40 protein by preventing its proteasomal degradation in a yet unexplained manner. The results from the work presented here suggest that stabilization of the negative regulator of immune responses WRKY40 by XopS leads to the manipulation of defense-associated gene expression, as well as a redirection of phytohormonal interactions, which in turn promotes the spread of Xcv on susceptible pepper plants. Another goal of this work was to identify other potential in planta interaction partners of XopS that might be relevant for its interaction with WRKY40 or for the deciphering of its mechanism of action. This identified the deubiquitinase UBP12 as another plant interaction partner of both XopS and WRKY40. UBP12 is able to modify the ubiquitination of substrate proteins and its function could thus represent a link between XopS and its interference with the proteasomal degradation of WRKY40. During a compatible Xcv-host interaction, virus-induced gene silencing of UBP12 resulted in reduced plant resistance to the pathogen Xcv, suggesting its positive regulatory effect during the immune response. Moreover, Western blot analyses showed that the protein WRKY40 accumulates upon down-regulation of UBP12 and that this accumulation is further enhanced by the presence of the T3E XopS. Further analysis on the biochemical characterization of the XopS/WRKY40/UBP12 interaction should be performed in the future to further elucidate the exact mode of action of the XopS T3E.
KW  - Xanthomonas campestris pv. vesicatoria
KW  - XopS
KW  - WRKY40
KW  - Stomatäre Immunität
KW  - Proteasomaler Abbau
KW  - Xanthomonas campestris pv. vesicatoria
KW  - XopS
KW  - WRKY40
KW  - stomatal immunity
KW  - proteasomal degradation
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-525532
ER  -