Expression Analysis of Host-Induced Genes and Proteins of Potato Pathogen Pectobacterium atrosepticum

Pectobacterium atrosepticum on Gram-negatiivinen bakteeri, joka aiheuttaa perunan tyvi- ja märkämätää. P. atrosepticum bakteerin optimilämpötila on melko alhainen ja se on yleinen lauhkeilla alueilla. Tyvimätä leviää pääasiassa siemenperunan välityksellä ja siksi se on ongelma erityisesti siemenperunan tuotannossa. P. atrosepticum kannan SCRI1043 genomi on julkaistu ja sitä tutkitaan malliorganismina märkä- ja tyvimädän taudinaiheuttamisen ymmärtämiseksi. Tämä opportunistinen taudinaiheuttaja voi elää isäntäkasvissa kuukausia piilevänä, aiheuttamatta näkyviä oireita. Suotuisissa olosuhteissa bakteerit alkavat jakautua ja tuottaa kasvin kudoksia hajottavia entsyymejä. Mädäntyvä kasvimassa tarjoaa ravinteita bakteerien kasvuun ja mahdollistaa isäntäkasvin asuttamisen. Soluseiniä hajottavien entsyymien merkitys taudinaiheuttamisessa on hyvin tunnettu, mutta oireettomasta jaksosta ja taudin alkuvaiheista tiedätään vain vähän. Bakteerin genomi sisältää monia toksiineja, adhesiineja, hemolysiineja ja muita proteiineja, joilla saattaa olla merkitys taudinaiheuttamisessa. Tässä työssä käytettiin proteomiikkaa ja mikrosiruanalysiä P. atrosepticum bakteerin erittyvien proteiinien ja geeniekspression tutkimiseen. Proteiinit, jotka eritetään ulos bakteerista, toimivat todennäköisesti taudinaiheuttamisessa, koska ne ovat suorassa kontaktissa isäntäkasvin kanssa. Analyysit suoritettiin olosuhteissa, jotka muistuttavat kasvin soluvälitilaa: matala pH, vähän ravinteita ja matala lämpötila. Isäntäkasvin läsnäolon vaikutusta proteiinien tuottoon ja geeniekspressioon tutkittiin lisäämällä perunauutetta kasvatusalustaan. Tutkimuksessa tunnistettiin P. atrosepticum bakteerin monia jo tunnettuja ja mahdollisesti taudinaiheuttamiseen liittyviä proteiineja. Perunauute lisäsi hiljattain tunnistetun, proteiinien eritysreittiä (tyyppi VI sekreetio, T6SS) koodaavien geenien ilmentymistä. Lisäksi bakteerin havaittiin erittävän useita T6SS:n liittyviä proteiineja kasvualustaan, johon oli lisätty perunauutetta. T6SS:n merkitys bakteereille on vielä epäselvä ja sen vaikutuksesta taudinaiheuttamiseen on julkaistu ristiriitaisia tuloksia. Märkä- ja tyvimädän ymmärtäminen molekulaarisella tasolla luo pohjan tautien kontrollointiin tähtäävään soveltavaan tutkimukseen. Tämä tutkimus lisää tietoa kasvi-patogeeni- interaktiosta ja sitä voidaan tulevaisuudessa käyttää hyväksi esimerkiksi diagnostiikassa, resistenttien perunalajikkeiden jalostuksessa tai viljely- ja varastointiolosuhteiden parantamisessa.

The virulence of Finnish Pyrenophora teres f. teres isolates and its implications for resistance breeding

In Finland, barley, Hordeum vulgare L., covers 50 % of the total acreage devoted to cereal cultivation. The most common disease of barley in Finland is net blotch, a foliar disease caused by the ascomycete Pyrenophora teres Drechsler. Disease resistance based on plant genes is an environmentally friendly and economical way to manage plant diseases caused by biotic stresses. Development of a disease resistance breeding programme is dependent on knowledge of the pathogen. In addition to information on the epidemiology and virulence of a pathogen, knowledge on how the pathogen evolves and the nature of the risks that might arise in the future are essential issues that need to be taken into account to achieve the final breeding aims. The main objectives of this study were to establish reliable and efficient testing methods for Pyrenophora teres f. teres virulence screening, and to understand the role of virulence of P. teres f. teres in Finland from a disease resistance breeding point of view. The virulence of P. teres was studied by testing 239 Finnish P. teres f. teres isolates collected between 1994 2007 originating from 19 locations, and 200 P. teres progeny isolates originating from artificially produced P. teres matings. According to the results of this study, screening for P. teres f. teres isolates on barley seedlings under greenhouse conditions is a feasible and cost efficient method to describe the virulence spectrum of the pathogen. Inoculum concentration and the seedling leaf used to gauge virulence had significant effects. Barley grain size, morphological traits of P. teres isolates, spore production and growth rate on agar did not affect the expression of virulence. A common barley differential set to characterize the P. teres virulence was developed and is recommended to be used globally. The virulence spectrum of Finnish P. teres f. teres isolates collected in 1994-2007 was constant both within and between the years. The results indicated differences in the pathogen s aggressiveness and in barley genotypes resistance. However, differences in virulence were rarely significant. Unlike in laboratory conditions, no indications of changes in virulence caused by the sexual reproduction have been observed in Finnish barley fields. In Finland, durable net blotch resistance has been achieved by introducing resistance from other barley varieties using traditional crossing methods, including wide crossing, and testing the breeding material at early generations at several sites under natural infection pressure. Novel resistance is available, which is recommended to minimize the risk of selection of virulent isolates and breakdown of currently deployed resistance.

Population structure of Pyrenophora teres, the causal agent of net blotch of barley

Spring barley is the most important crop in Finland based on cultivated land area. Net blotch, a disease caused by Pyrenophora teres Drech., is the most damaging disease of barley in Finland. The pressure to improve the economics and efficiency of agriculture has increased the need for more efficient plant protection methods. Development of durable host-plant resistance to net blotch is a promising possibility. However, deployment of disease resistant crops could initiate selection pressure on the pathogen (P. teres) population. The aim of this study was to understand the population biology of P. teres and to estimate the evolutionary potential of P. teres under selective pressure following deployment of resistance genes and application of fungicides. The study included mainly Finnish P. teres isolates. Population samples from Russia and Australia were also included. Using AFLP markers substantial genotypic variation in P. teres populations was identified. Differences among isolates were least within Finnish fields and significantly higher in Krasnodar, Russia. Genetic differentiation was identified among populations from northern Europe and from Australia, and between the two forms P. teres f. teres (PTT, net form of net blotch) and P. teres f. maculata (PTM, spot form of net blotch) in Australia. Differentiation among populations was also identified based on virulence between Finnish and Russian populations, and based on prochloraz (fungicide) tolerance in the Häme region in Finland. Surprisingly only PTT was recovered from Finland and Russia although both forms were earlier equally common in Finland. The reason for the shift in occurrence of forms in Finland remained uncertain. Both forms were found within several fields in Australia. Sexual reproduction of P. teres was supported by recover of both mating types in equal ratio in those areas although the prevalence of sexual mating seems to be less in Finland than in Australia. Population from Krasnodar was an exception since only one mating type was found in there. Based on the substantial high genotypic variation in Krasnodar it was suggested go represent an old P. teres population, whereas the Australian samples were suggested to represent newer populations. In conclusion, P. teres populations are differentiated at several levels. Human assistance in dispersal of P. teres on infected barley seed is obvious and decreases the differentiation among populations. This can increase the plant protection problems caused by this pathogen. P. teres is capable of sexual reproduction in several areas but the prevalence varies. Based on these findings it is apparent that P. teres has the potential to pose more serious problems in barley cultivation if plant protection is neglected. Therefore, good agricultural practices, including crop rotation and the use of healthy seed, are recommended.

Rhizoctonia solani as a potato pathogen : Variation of isolates in Finland and host response

Rhizoctonia solani is a soil inhabiting basidiomycetous fungus able to induce a wide range of symptoms in many plant species. This genetically complex species is divided to 13 anastomosis groups (AG), of which AG-3 is specialized to infect potato. However, also a few other AGs are able to infect or live in close contact with potato. On potato, R. solani infection causes two main types of diseases including stem canker observed as a dark brown lesions on developing stems and stolons, and black scurf that develops on new tubers close to the time of harvest. These disease symptoms are collectively called a ‘Rhizoctonia disease complex’. Between the growing seasons R. solani survives in soil and plant debri as sclerotia or as the sclerotia called black scurf on potato tubers which when used as seed offer the main route for dispersal of the fungus to new areas. The reasons for the dominance of AG-3 on potato seem to be attributable to its highly specialization to potato and its ability to infect and form sclerotia efficiently at low temperatures. In this study, a large nationwide survey of R. solani isolates was made in potato crops in Finland. Almost all characterized isolates belonged to AG-3. Additionally, three other AGs (AG-2-1, AG-4 and AG-5) were found associated with symptoms on potato plants but they were weaker pathogens on potato than AG-3 as less prone to form black scurf. According to phylogenetic analysis of the internal transcribed sequences (ITS) of the ribosomal RNA genes the Finnish AG-3 isolates are closely related to each other even though a wide variation of physiological features was observed between them. Detailed analysis of the ITS regions revealed single nucleotide polymorphism in 14 nucleotide positions of ITS-1 and ITS-2. Additionally, compensatory base changes on ITS-2 were detected which suggests that potato-infecting R. solani AG-3 could be considered as a separate species instead of an AG of R. solani. For the first time, molecular defence responses were studied and detected during the early phases of interaction between R. solani AG-3 and potato. Extensive systemic signalling for defence exploiting several known defence pathways was activated as soon as R. solani came into close contact with the base of a sprout. The defence response was strong enough to protect vulnerable sprout tips from new attacks by the pathogen. These results at least partly explain why potato emergence is eventually successful even under heavy infection pressure by R. solani.

Movement-associated proteins of Potato virus A: attachment to virus particles and phosphorylation

The particles of Potato virus A (PVA; genus Potyvirus) are helically constructed filaments that contain multiple copies of a single type of coat-protein (CP) subunit and a single copy of genome-linked protein (VPg), attached to one end of the virion. Examination of negatively-stained virions by electron microscopy revealed flexuous, rod-shaped particles with no obvious terminal structures. It is known that particles of several filamentous plant viruses incorporate additional minor protein components, forming stable complexes that mediate particle disassembly, movement or transmission by insect vectors. The first objective of this work was to study the interaction of PVA movement-associated proteins with virus particles and how these interactions contribute to the morphology and function of the virus particles. Purified particles of PVA were examined by atomic force microscopy (AFM) and immuno-gold electron microscopy. A protrusion was found at one end of some of the potyvirus particles, associated with the 5' end of the viral RNA. The tip contained two virus-encoded proteins, the genome-linked protein (VPg) and the helper-component proteinase (HC-Pro). Both are required for cell-to-cell movement of the virus. Biochemical and electron microscopy studies of purified PVA samples also revealed the presence of another protein required for cell-to-cell movement the cylindrical inclusion protein (CI), which is also an RNA helicase/ATPase. Centrifugation through a 5-40% sucrose gradient separated virus particles with no detectable CI to a fraction that remained in the gradient, from the CI-associated particles that went to the pellet. Both types of particles were infectious. AFM and translation experiments demonstrated that when the viral CI was not present in the sample, PVA virions had a beads-on-a-string phenotype, and RNA within the virus particles was more accessible to translation. The second objective of this work was to study phosphorylation of PVA movement-associated and structural proteins (CP and VPg) in vitro and, if possible, in vivo. PVA virion structural protein CP is necessary for virus cell-to-cell movement. The tobacco protein kinase CK2 was identified as a kinase phosphorylating PVA CP. A major site of CK2 phosphorylation in PVA CP was identified as a single threonine within a CK2 consensus sequence. Amino acid substitutions affecting the CK2 consensus sequence in CP resulted in viruses that were defective in cell-to-cell and long-distance movement. The CK2 regulation of virion assembly and cell-to-cell movement by phosphorylation of CP was possibly due to the inhibition of CP binding to viral RNA. Four putative phosphorylation sites were identified from an in vitro phosphorylated recombinant VPg. All four were mutated and the spread of mutant viruses in two different host plants was studied. Two putative phosphorylation site mutants (Thr45 and Thr49) had phenotypes identical to that of a wild type (WT) virus infection in both Nicotiana benthamiana and N. tabacum plants. The other two mutant viruses (Thr132/Ser133 and Thr168) showed different phenotypes with increased or decreased accumulation rates, respectively, in inoculated and the first two systemically infected leaves of N. benthamiana. The same mutants were occasionally restricted to single cells in N. tabacum plants, suggesting the importance of these amino acids in the PVA infection cycle in N. tabacum.

Resistance responses blocking systemic movement of Potato virus A in potato

Peruna kestää A-virusta estämällä sen leviämistä Peruna on maissin ohella maailman kolmanneksi tärkein ravintokasvi vehnän ja riisin jälkeen. Perunaa lisätään kasvullisesti mukuloita istuttamalla, jolloin virukset siirtyvät sairaiden siemenmukuloiden välityksellä kasvukaudesta toiseen. Virustauteja voi torjua ainoastaan terveen siemenperunan ja kestävien lajikkeiden avulla. Kestävyys perustuu usein siihen, että kasvi estää viruksen leviämisen tartuntakohdasta välttyäkseen virustaudilta. Tässä työssä tutkittiin kolmea perunan A-viruksen (PVA) liikkumista estävää kestävyysmekanismia perunassa. Lisäksi työn kokeelliseen osaan oleellisesti kuuluvaa virustartutusta varten kehitettiin uusi paranneltu versio geenipyssystä. Tämä itse rakennettu laite optimoitiin PVA:n tartuttamiseen mahdollisimman helposti ja pienin käyttökustannuksin. Tutkimuksen kohteena olleessa perunan risteytysjälkeläistössä oli PVA:ta kestäviä kasveja (ryhmä nnr), jotka estivät viruksen liikkumisen aiheuttamatta oireita tartutuskohdassa, sekä kasveja, joissa PVA aiheutti kuolioläikkinä näkyvän yliherkkyysvasteen (ryhmä HR). Molemmissa kestävyystyypeissä virus pystyi monistumaan ja leviämään solusta soluun paikallisesti, mutta liikkuminen muihin kasvinosiin nilan kautta estyi. Ryhmän nnr kasveissa PVA-tartunta ei aiheuttanut tilastollisesti merkitsevää muutosta useimpien geenien ilmenemiseen tartuntakohdassa. Ainoastaan geeniperhe, joka ilmentää tiettyä proteinaasi-inhibiittoria (PI), reagoi PVA:han 24 tuntia tartutuksesta. Kun tämän PVA:han reagoivan geeniperheen jäsenet hiljennettiin nnr- perunalinjoissa, ne muuttuivat alttiiksi PVA:lle ja virus levisi tartuntakohdasta muihin kasvinosiin. Tulos osoittaa, että PI on viruskestävyystekijä. Lisäksi muut tutkimuksessa saadut tulokset tukevat mahdollisuutta, että PI estää PVA:n P1-proteinaasin toimintaa. HR-linjoissa todettiin erilaisiin puolustusvasteisiin liittyvien PR-geenien aktivoitumista PVA-tartunnan seurauksena, mutta myös ilman sitä kasvien kasvettua mullassa noin neljä viikkoa. Sen sijaan solukkoviljelyssä tai vasta kaksi viikkoa mullassa kasvaneissa kasveissa vastaavaa ei vielä todettu. Tulos viittaa siihen, että HR-perunat reagoivat herkemmin ympäristöön ja/tai kasvin kehitysasteeseen laukaisten puolustusvasteita, jotka saattavat parantaa kestävyyttä taudinaiheuttajia vastaan. Kolmas tutkittu kestävyystyyppi havaittiin Pito-perunalajikkeessa. Se muistutti nnr-kestävyyttä siten, että myös siinä viruksen liikkuminen nilassa muihin kasvinosiin estyi. PVA:n todettiin pysähtyvän vasta lehtiruodin tyvelle muodostuvaan irtoamisvyöhykkeeseen, mitä havainnollistettiin käyttämällä muunnettua PVA-rotua, joka tuotti UV-valossa fluoresoivaa vihreää valoa. Tulos viittaa siihen, että virus ei pääse kulkemaan vyöhykkeeseen kuuluvan suojaavan kerroksen läpi, jollei sillä ole pääsyä nilaan. Tällainen kestävyys on tarpeen, jotta virus ei voi korvata nilakuljetusta solusta soluun leviämisellä. Tulokset tuovat uusia näkökulmia kasvien viruskestävyyteen ja auttavat selittämään viruksen nilakuljetuksen estymistä sekä solusta soluun leviämisen pysähtymistä kestävissä kasveissa.

Perunan Y-viruksen testaaminen korkeassa happi-hiilidioksidipitoisuudessa idätetyistä perunoista

Perunalla (Solanum tuberosum L.) tällä hetkellä maailmanlaajuisesti eniten sato- ja laatutappioita aiheuttaa perunan Y-virus (PVY). Vaikka pelkän Y-viruksen aiheuttamaa satotappiota on vaikea mitata, on sen arvioitu olevan 20-80 %. Viruksen tärkein leviämistapa on viroottinen siemenperuna. Korkealaatuinen siemenperuna on edellytys ruoka-, ruokateollisuus- ja tärkkelysperunan tuotannolle. Kasvuston silmämääräinen tarkastelu aliarvioi yleensä Y-viruksen esiintyvyyttä. Laboratoriotestauksen avulla saadaan tarkempi tieto pellolta korjatun sadon saastunta-asteesta. Ongelmana Y-viruksen testaamisessa on, että sitä ei havaita dormanssissa olevista perunoista otetuista näytteistä yhtä luotettavasti kuin jo dormanssin ohittaneista perunoista testattaessa. Erilaisia menetelmiä kemikaaleista (Rindite, bromietaani) kasvihormoneihin (mm. gibberelliinihappo) ja varastointiolosuhteiden muutoksiin (kylmä- ja lämpökäsittely) on kokeiltu perunan dormanssin purkamiseen, mutta tulokset ovat olleet vaihtelevia. Tässä tutkielmassa perunan dormanssin purkamiseen käytettiin happi-hiilidioksidikäsittelyä (O2 40 % ja CO2 20 %) eripituisina käsittelyaikoina. Tarkoituksena oli selvittää, vaikuttaako käsittely perunan itämiseen ja dormanssin luontaista aikaisempaan purkautumiseen tai Y-viruksen havaitsemiseen. Lisäksi haluttiin selvittää, voiko Y-viruksen määrittämisen ELISA-testillä (Enzyme Linked Immunosorbent Assay) tehdä yhtä luotettavasti myös muista kasvinosista (mukula, itu), kuin tällä hetkellä yleisesti käytetystä perunan lehdestä. Idätyskäsittelyn vaikutuksista dormanssin purkautumiseen saatiin vaihtelevia, eikä kovinkaan yleistettäviä tuloksia. Käsittelyn ei myöskään havaittu vaikuttavan PYY-viroottisuuden havaitsemiseen eri näytemateriaaleilla testattaessa. Kun eri kasvinosien toimivuutta testissä vertailtiin, mukulamateriaalin todettiin aliarvioivan PVY-viroottisuutta kaikissa kokeissa. Myös itumateriaali aliarvioi pääsääntöisesti PVY-viroottisuutta ELISA:lla tehdyissä määrityksissä. Luotettavin testimateriaali oli perunan lehti.