Pathogen-Induced Defense Signaling and Signal Crosstalk in Arabidopsis

Erwinia carotovora subsp. carotovora is a bacterial phytopathogen that causes soft rot in various agronomically important crop plants. A genetically specified resistance to E. carotovora has not been defined, and plant resistance to this pathogen is established through nonspecific activation of basal defense responses. This, together with the broad host range, makes this pathogen a good model for studying the activation of plant defenses. Production and secretion of plant cell wall-degrading enzymes (PCWDE) are central to the virulence of E. carotovora. It also possesses the type III secretion system (TTSS) utilized by many Gram-negative bacteria to secrete virulence- promoting effector proteins to plant cells. This study elucidated the role of E. carotovora HrpN (HrpNEcc), an effector protein secreted through TTSS, and the contribution of this protein in the virulence of E. carotovora. Treatment of plants with HrpNEcc was demonstrated to induce a hypersensitive response (HR) as well as resistance to E. carotovora. Resistance induced by HrpNEcc required both salicylic acid (SA)- and jasmonate/ethylene (JA/ET)-dependent defense signaling in Arabidopsis. Simultaneous treatment of Arabidopsis with HrpNEcc and PCWDE polygalacturonase PehA elicited accelerated and enhanced induction of defense genes but also increased production of superoxide and lesion formation. This demonstrates mutual amplification of defense signaling by these two virulence factors of E. carotovora. Identification of genes that are rapidly induced in response to a pathogen can provide novel information about the early events occurring in the plant defense response. CHLOROPHYLLASE 1 (AtCLH1) and EARLY RESPONSIVE TO DEHYDRATION 15 (ERD15) are both rapidly triggered by E. carotovora in Arabidopsis. Characterization of AtCLH1 encoding chlorophyll-degrading enzyme chlorophyllase indicated that it might have a role in chlorophyll degradation during plant tissue damage. Silencing of this gene resulted in increased accumulation of reactive oxygen species (ROS) in response to pathogen infection in a light-dependent manner. This led to enhanced SA-dependent defenses and resistance to E. carotovora. Moreover, crosstalk between different defense signaling pathways was observed; JA-dependent defenses and resistance to fungal pathogen Alternaria brassicicola were impaired, indicating antagonism between SA- and JA-dependent signaling. Characterization of ERD15 suggested that it is a novel, negative regulator of abscisic acid (ABA) signaling in Arabidopsis. Overexpression of ERD15 resulted in insensitivity to ABA and reduced tolerance of the plants to dehydration stress. However, simultaneously, the resistance of the plants to E. carotovora was enhanced. Silencing of ERD15 improved freezing and drought tolerance of transgenic plants. This, together with the reducing effect of ABA on seed germination, indicated hypersensitivity to this phytohormone. ERD15 was hypothesized to act as a capacitor that controls the appropriate activation of ABA responses in Arabidopsis.

Tässä väitöskirjatyössä pyrittiin selvittämään taudinaiheuttajan aikaansaamaa puolustussignalointia ja signaalireittien välillä tapahtuvaa vuorovaikutusta kasveissa. Tällaista tietoa on mahdollista tulevaisuudessa hyödyntää vastustuskykyisempien viljelykasvien kehittämistyössä. Bakteeri Erwinia carotovora aiheuttaa märkämätää useissa hedelmissä, vihanneksissa ja juureksissa sekä kasvukaudella että varastoimisvaiheessa. Näistä suuri osa on taloudellisesti merkittäviä viljelykasveja, kuten peruna (Solanum tuberosum) ja porkkana (Daucus carota). E. carotovora aikaansaa taudin myös lituruohossa (Arabidopsis thaliana), jota käytettiin tutkimuksen mallikasvina. E. carotovoran tehokas taudinaiheuttamiskyky perustuu suurelta osin sen tuottamiin ja erittämiin kasvin soluseinää hajottaviin entsyymeihin. Näiden lisäksi se erittää kasvisoluun niin kutsuttuja vaikuttajaproteiineja tyyppi III eritysjärjestelmän kautta. Vastineena E. carotovora infektioon kasvissa aktivoituvat epäspesifiset puolustusjärjestelmät; geneettisesti määriteltyä, spesifistä, resistenssiä tätä taudinaiheuttajaa vastaan ei ole löydetty. Koska E. carotovoran erittämät, kasvin soluseinää hajottavat entsyymit peittävät aiheuttamansa kudoksen hajoamisen myötä alleen kaikki muut kasvissa bakteerin vaikutuksesta mahdollisesti tapahtuvat vasteet, työssä tutkittiin erikseen yhden E. carotovoran erittämän vaikuttajaproteiinin, HrpN:n, aikaansaamaa puolustusreaktiota Arabidopsiksessa. HrpN aikaansai hypersensitiivisen reaktion (HR), minkä lisäksi se aktivoi sekä salisyyli (SA)- että jasmonihappoon (JA) perustuvat kasvipuolustusreitit, tehden käsitellystä kasvista vastustuskykyisen myöhempää E. carotovora infektiota vastaan. Työ lisäsi tietoa yksittäisten vaikuttajaproteiinien roolista bakteerin taudinaiheuttamiskyvyssä sekä niiden vaikutuksesta aktivoituvista kasvin puolustusreiteistä. Kasvissa tapahtuvista aikaisen vaiheen puolustusreaktioista voidaan saada tärkeää tietoa identifioimalla geenejä, joiden toiminta aktivoituu nopeasti taudinaiheuttajan hyökkäyksen jälkeen. Chlorophyllase 1 (AtCLH1) geenin koodaaman proteiinin todettiin mahdollisesti osallistuvan kasvin kudosvaurion jälkeiseen klorofyllin hajotukseen. Tämän geenin hiljentäminen kasvissa RNAi tekniikalla johti valoriippuvaiseen oksidatiivisen stressin lisääntymiseen sekä parantuneeseen SA-riippuvaiseen puolustukseen ja vastustuskykyyn E. carotovoraa vastaan. Tämä työ osoitti myös puolustusreittien välillä tapahtuvan vuorovaikutusta: SA-puolustuksen vahvistumisen hintana AtCLH1RNAi-hiljennetyissä kasveissa oli JA riippuvaisen puolustuksen heikkeneminen ja kasvin puolustuskyvyn menetys Altenaria brassicicolalle, joka on sieniin kuuluva taudinaiheuttaja. Early responsive to dehydration (ERD15) geenin karakterisointi osoitti sen olevan kasvin abskissihappo (ABA) signaloinnin negatiivinen säätelijä. Kyseisen geenin hiljentäminen johti parantuneeseen kylmän- ja kuivankestävyyteen kun taas sen ylituotto teki kasveista vastustuskykyisempiä E. carotovoraa vastaan parantamalla SA-riippuvaista puolustussignalointia.