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Konvergente Entwicklung der Infektionsmechanismen in den parasitären Pflanzen Cuscuta reflexa und Phelipanche aegyptiaca

Rehker, Jan :
Konvergente Entwicklung der Infektionsmechanismen in den parasitären Pflanzen Cuscuta reflexa und Phelipanche aegyptiaca.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Konvergente Entwicklung der Infektionsmechanismen in den parasitären Pflanzen Cuscuta reflexa und Phelipanche aegyptiaca
Language: German
Abstract:

In dieser Arbeit sollten zwei Charakteristika aus der Interaktion zwischen zwischen der parasitären Pflanze Cuscuta reflexa und ihrem Wirt Solanum lycopersicum auf ihre Übertragbarkeit auf den Parasiten Phelipanche aegyptiaca hin untersucht werden. Beide parasitären Pflanzen sind für landwirtschaftliche Schäden verantwortlich. Ziel war eine biotechnologische Anwendung zur Verringerung der Infektionsraten durch P. aegyptiaca. Es konnte nachgewiesen werden, dass sich der attAGP-Promotor aus S. lycopersicum nicht nur wie bereits bekannt durch C. reflexa induzieren lässt sondern auch durch P. aegyptiaca. Mittels eines Konstrukts aus attAGP-Promotor und GUS-Reportergen konnte die Induzierbarkeit des Promotors durch die Phytohormone Auxin und Salicylsäure festgestellt werden. Bei der Infektion durch Cuscuta spielen dabei vermutlich beide Faktoren eine Rolle, während bei Phelipanche wahrscheinlich Auxin ausschlaggebend ist. Desweiteren wurden durch Assemblieren eines Transkriptoms aus "next generation sequencing-Daten" von P. aegyptiaca mRNA Sequenzen ermittelt, welche hohe Ähnlichkeiten zur Cysteinprotease Cuscutain aus C. reflexa haben. Die auf diesen Sequenzen basierende Expressionsanalyse zeigte eine Hochregulierung während der ersten Entwicklungsstadien von P. aegyptiaca bis zum Kontakt mit der Wirtspflanze an. Zur Prüfung einer biotechnologischen Anwendung wurden Konstrukte in Tabak transformiert, welche eine DNA-Sequenz enthielten die für das PrePropeptid des Cuscutains kodiert. Auf diese Weise wurde der natürliche Inhibitor des Cuscutains in der Wirtspflanze exprimiert. Gesteuert wurde die Expression in einem Konstrukt durch den attAGP-Promotor und im anderen durch den 35S-Promotor. Gegenüber C. reflexa zeigten mit dem 35S-PrePropeptid-Konstrukt transformierte Pflanzen widersprüchliche Ergebnisse auf die Infektionsrate. Jedoch wurden transformierte Pflanzen in allen Versuchen seltener durch P. aegyptiaca befallen, wobei das 35S- Konstrukt einen besseren Schutz bot als jenes mit dem attAGP-Promotor und signifikant geringere Infektionsraten zur Folge hatte. Bei Beobachtung im in vitro polybag-System konnte festgestellt werden, dass sich nur beim Beginn der Infektion Unterschiede zwischen transformiertem und nicht transformiertem Tabak ergeben. Dies und die Expressionsanalyse legen nahe, dass die Cysteinprotease in P. aegyptiaca zu Beginn der Infektion für die Hydrolyse von Abwehrproteinen in der Zellwand des Wirtes verantwortlich sein könnte. Der mittels der Konstrukte exprimierte Inhibitor hatte somit vermutlich eine schützende Funktion. Die Ergebnisse zeigen, dass sich abseits der bereits bekannten Übereinstimmungen weitere konvergente Entwicklungen zwischen parasitären Pflanzen als auch der Reaktion ihrer Wirte auf diese finden. Eine dahingehende Überprüfung auf Übertragbarkeit kann sich daher aus biotechnologischer Sicht lohnen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This dissertation aimed to transfer two characteristics of the interaction between the parasitic plant Cuscuta reflexa and its host Solanum lycopersicum upon the parasite Phelipanche aegyptiaca. Both parasitic plants are responsible for losses in agriculture. The objective was a biotechnological approach to reduce the Infection rates caused by P. aegyptiaca. Evidence could be provided that the attAGP promoter of S. lycopersicum can not only be induced by C. reflexa like it was already shown, but also by P. aegyptiaca. By using a construct of the attAGP promoter and a GUS reporter gene, induction of the promoter by the phytohormones auxin and salicylic acid could be shown. Both hormones are likely to be involved during the infection of Cuscuta while auxin is most likely the decisive factor in Phelipanche. Furthermore mRNA sequences with high similarity to a cysteine protease called Cuscutain derived from C. reflexa could be determined by assembling a transcriptome out of “next generation sequencing data”. An analysis of gene expression based upon this sequencing data showed up regulation during the first development stages of P. aegyptiaca. To check the possibility of a biotechnological application, tobacco plants were transformed with constructs containing the sequence of the prepropeptide of the Cuscutain. This way the natural inhibitor of the Cuscutain was expressed inside the host plant. Expression was driven by the attAGP-promoter and in an additional construct by the 35S-promoter. The 35S-prepropeptide constructs showed contradictory results upon infection by C. reflexa. Nevertheless transformed plants were less susceptible to P. aegyptiaca, the 35S construct providing better protection and significant reduced infection rates in comparison to the one with the attAGP promoter. Observation in the “in vitro polybag system” showed the changes in the infection rates of transgenic and wild type tobacco to be prominent in the first stages of infection. Taken together this and the expression analysis suggest a possible digestion of proteins related to plant defense in the cell wall of the host plant. This way the expressed inhibitor might have had a protecting function. The results imply that beside known similarities there are more convergent developments among parasitic plants as well as on the side of host reactions. Checking for possible transfer from one to another thereby might pay off.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Cuscuta, Phelipanche, parasitäre Pflanze
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Cuscuta, Phelipanche, parasitic plantEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 580 Pflanzen (Botanik)
Divisions: 10 Department of Biology > Applied Plant Sciences
Date Deposited: 20 Dec 2012 10:59
Last Modified: 20 Dec 2012 10:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-32231
Referees: Kaldenhoff, Prof. Dr. Ralf and Warzecha, Prof. Dr. Heribert
Refereed: 14 December 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3223
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