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 - Albers, Philip T1 - Funktionelle Charakterisierung des bakteriellen Typ-III Effektorproteins HopZ1a in Nicotiana benthamiana T1 - Functional characterization of the bacterial type-III effector protein HopZ1a in Nicotiana benthamiana N2 - Um das Immunsystem der Pflanze zu manipulieren translozieren gram-negative pathogene Bakterien Typ-III Effektorproteine (T3E) über ein Typ-III Sekretionssystem (T3SS) in die pflanzliche Wirtszelle. Dort lokalisieren T3Es in verschiedenen subzellulären Kompartimenten, wo sie Zielproteine modifizieren und so die Infektion begünstigen. HopZ1a, ein T3E des Pflanzenpathogens Pseudomonas syringae pv. syringae, ist eine Acetyltransferase und lokalisiert über ein Myristolierungsmotiv an der Plasmamembran der Wirtszelle. Obwohl gezeigt wurde, dass HopZ1a die frühe Signalweiterleitung an der Plasmamembran stört, wurde bisher kein mit der Plasmamembran assoziiertes Zielprotein für diesen T3E identifiziert. Um bisher unbekannte HopZ1a-Zieleproteine zu identifizieren wurde im Vorfeld dieser Arbeit eine Hefe-Zwei-Hybrid-Durchmusterung mit einer cDNA-Bibliothek aus Tabak durchgeführt, wobei ein nicht näher charakterisiertes Remorin als Interaktor gefunden wurde. Bei dem Remorin handelt es sich um einen Vertreter der Gruppe 4 der Remorin-Familie, weshalb es in NbREM4 umbenannt wurde. Durch den Einsatz verschiedener Interaktionsstudien konnte demonstriert werden, dass HopZ1a mit NbREM4 in Hefe, in vitro und in planta wechselwirkt. Es wurde ferner deutlich, dass HopZ1a auf spezifische Weise mit dem konservierten C-Terminus von NbREM4 interagiert, das Remorin jedoch in vitro nicht acetyliert. Analysen mittels BiFC haben zudem ergeben, dass NbREM4 in Homodimeren an der Plasmamembran lokalisiert, wo auch die Interaktion mit HopZ1a stattfindet. Eine funktionelle Charakterisierung von NbREM4 ergab, dass das Remorin eine spezifische Rolle im Immunsystem der Pflanze einnimmt. Die transiente Expression in N. benthamiana induziert die Expression von Abwehrgenen sowie einen veränderten Blattphänotyp. In A. thaliana wird HopZ1a über das Decoy ZED1 und das R-Protein ZAR1 erkannt, was zur Auslösung einer starken Hypersensitiven Antwort (HR von hypersensitive response) führt. Es konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass ZAR1 in N. benthamiana konserviert ist, NbREM4 jedoch nicht in der ETI als Decoy fungiert. Mit Hilfe einer Hefe-Zwei-Hybrid-Durchmusterung mit NbZAR1 als Köder konnten zwei Proteine, die Catalase CAT1 und der Protonenpumpeninteraktor PPI1, als Interaktoren von NbZAR1 identifiziert werden, welche möglicherweise in der Regulation der HR eine Rolle spielen. Aus Voruntersuchungen war bekannt, dass NbREM4 mit weiteren, nicht näher charakterisierten Proteinen aus Tabak interagieren könnte. Eine phylogenetische Einordnung hat gezeigt, dass es sich um die bekannte Immun-Kinase PBS1 sowie zwei E3-Ubiquitin-Ligasen, NbSINA1 und NbSINAL3, handelt. PBS1 interagiert mit NbREM4 an der Plasmamembran und phosphoryliert das Remorin innerhalb des intrinsisch ungeordneten N-Terminus. Mittels Massenspektrometrie konnten die Serine an Position 64 und 65 innerhalb der Aminosäuresequenz von NbREM4 als PBS1-abhängige Phosphorylierungsstellen identifiziert wurden. NbSINA1 und NbSINAL3 besitzen in vitro Ubiquitinierungsaktivität, bilden Homo- und Heterodimere und interagieren ebenfalls mit dem N-terminalen Teil von NbREM4, wobei sie das Remorin in vitro nicht ubiquitinieren. Aus den in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnissen lässt sich ableiten, dass der bakterielle T3E HopZ1a gezielt mit dem Tabak-Remorin NbREM4 an der Plasmamembran interagiert und über einen noch unbekannten Mechanismus mit dem Immunsystem der Pflanze interferiert, wobei NbREM4 möglicherweise eine Rolle als Adapter- oder Ankerprotein zukommt, über welches HopZ1a mit weiteren Immunkomponenten interagiert. NbREM4 ist Teil eines größeren Immunnetzwerkes, zu welchem die bekannte Immun-Kinase PBS1 und zwei E3-Ubiquitin-Ligasen gehören. Mit NbREM4 konnte damit erstmalig ein membranständiges Protein mit einer Funktion im Immunsystem der Pflanze als Zielprotein von HopZ1a identifiziert werden. N2 - In order to manipulate the plant's immune system, gram-negative pathogenic bacteria inject type-III effector proteins (T3E) via a type III secretion system (T3SS) into the plant host cell. Inside the cell, T3Es localize to different subcellular compartments, where they modify target proteins and thereby promote the infection. HopZ1a, a T3E of the plant pathogen Pseudomonas syringae pv. syringae is an acetyltransferase and localizes to the plasma membrane. Although it has been shown that HopZ1a interferes with early signal transduction at the plasma membrane, no dedicated plasma membrane-associated target protein has been identified so far. To identify unknown HopZ1a target proteins, a yeast two-hybrid screening using a cDNA library from tobacco was performed in advance of this work. The screen identified a previously uncharacterized remorin-family protein as a putative interactor of HopZ1a. Using phylogenetic analyses, the remorin could be classified as a group 4 remorin family member and therefore was renamed NbREM4. By using different interaction studies, it has could be demonstrated that HopZ1a interacts with NbREM4 in yeast, in vitro, and in planta. It also became evident that HopZ1a specifically interacts with the conserved C-terminus of NbREM4 but does not acetylate it. BiFC analyses showed that NbREM4 localizes in homodimers at the plasma membrane, and NbREM4 interacts with HopZ1a in this subcellular compartment. From preliminary studies it was known that NbREM4 may interact with other uncharacterized proteins from tobacco. A phylogenetic analysis revealed the immune kinase NbPBS1 and two E3 ubiquitin ligases, NbSINA1 and NbSINAL3, as putative NbREM4 interacting proteins. Analysis showed that NbPBS1 interacts with NbREM4 at the plasma membrane and phosphorylates the Remorin within the intrinsically disordered N-terminus. By means of mass spectrometry, serines at position 64 and 65 within the amino acid sequence of NbREM4 were identified as PBS1-dependent phosphorylation sites. NbSINA1 and NbSINAL3 have in vitro ubiquitination activity and also interact with the N-terminal part of NbREM4, but do not ubiquitinate it. It has already been shown that, in Arabidopsis thaliana, HopZ1a is recognized by the R protein ZAR1. In the presence of the effector, ZAR1 induces a strong hypersensitive response (HR) of the cell. In this study it could be confirmed that ZAR1 is conserved in Nicotiana benthamiana and is also responsible for the recognition of HopZ1a. In addition, a yeast two-hybrid screen revealed the catalase CAT1 and the proton pump interactor PPI1 as putative NbZAR1-interacting proteins, possibly contributing to the downstream activation of HR. From the results obtained in this work, it can be deduced that the bacterial T3E HopZ1a specifically interacts with the Remorin NbREM4 at the plasma membrane and interferes with the immune system via a yet unknown mechanism. NbREM4 is part of a larger immune network that includes NbPBS1 and two E3 ligases. With NbREM4, the first membrane-associated target protein of HopZ1a could have been identified. KW - Pseudomonas syringae KW - Remorin KW - HopZ1a KW - PBS1 KW - pflanzliches Immunsystem KW - Pseudomonas syringae KW - Remorin KW - HopZ1a KW - PBS1 KW - plant immune system Y1 - 2018 ER -