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Identification of host-specific virulence factors of the smut fungus Sporisorium reilianum by genotype to phenotype mapping
2018 & 2019
Dissertation, RWTH Aachen University, 2018
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-11-05
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-03473
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/759307/files/759307.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
genotype (frei) ; host specificity (frei) ; phenotype (frei) ; smut fungus (frei) ; sporisorium reilianum (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570
Kurzfassung
Die beiden hostadaptierten Varietäten des Brandpilzes Sporisorium reilianum (S. reilianum f. sp. zeae, SRZ und S. reilianum f. sp. reilianum, SRS) produzieren Sporen entweder auf Mais oder auf Hirse. Für eine Pflanzeninfektion müssen paartaugliche haploide Sporidien verschmelzen und infektiöse dikaryotische Filamente bilden, die die Pflanze im Keimlingsstadium infizieren und einen Krankheitsphänotyp in Form von Sporenentwicklung in den Blütenständen der Pflanze verursachen. Obwohl beide Varietäten auf genomischer Ebene sehr eng verwandt sind, sind die molekularen Ursachen der Wirtsselektion unbekannt. Um die wirtsbestimmenden Faktoren zu identifizieren, erzeugten wir Geschlechtssporen, indem wir den kompatiblen SRZ-Stamm SRZ1_5-2 (Kreuzungstyp a1b1) mit dem SRS-Stamm SRS2_H2-7 (Kreuzungstyp a2b6) kreuzten. Meiotische Nachkommen (SRSZ) mit dem Paarungstyp a1b1 wurden ausgewählt und auf Virulenz auf Hirse nach Paarung mit SRS_H2-7 getestet. Die Virulenz-tests zeigten, dass die Nachkommen entweder nicht-virulent waren oder verschiedene Grade des Krankheitsphänotyps zeigten. Wir wählten 110 nicht-virulente Nachkommen, 50 Nachkommen mit voller Virulenz und 29 Nachkommen mit intermediärer Virulenz auf Hirse für die Genotypanalyse aus. Genomische DNA von 191 Stämmen (189 Nachkommen und 2 Elternstämme) wurde isoliert und unter Verwendung der Illumina-Technologie mit einer Leselänge von 125 nt (paired-end) sequenziert. Die Kartierung der Reads gegen die beiden zusammengesetzten Schwester-Elterngenome zeigte, dass der Ursprung der chromosomalen Regionen für alle SRSZ-Stämme eindeutig zugeordnet werden konnte. Interessanterweise enthielten wenige Stämme teilweise duplizierte genomische Regionen, d. H. Sie trugen die gleichen chromosomalen Fragmente von beiden Eltern. Die Korrelation des Phänotyps mit dem Ursprung der genomischen Loci der Eltern ergab eine Region von 35 Genen im linken Arm des Chromosoms 7, die möglicherweise mit dem Virulenzphänotyp auf Hirse assoziiert ist. Die Analyse dieser Region ergab einen Cluster von 9 Genen, die in Hirse hochreguliert sind, nur eine geringe Sequenzkonservierung zwischen den Varietäten zeigen und für Proteine kodieren, die vorhergesagte Sekretionssignalpeptide tragen. Die Deletion dieses Genclusters in SRS und anschließende Virulenzanalyse auf Hirse zeigte, dass die Abwesenheit dieses Clusters die Sporenbildungsfähigkeit von SRS in Hirse aufhebt. Diese Ergebnisse zeigen, dass klassische Genetik kombiniert mit Phänotyp-Assoziationsanalyse unter Verwendung von NGS Methoden zur Identifizierung von Wirtsspezifitätsfaktoren in S. reilianum geeignet ist.The two host-adapted varieties of the smut fungus Sporisorium reilianum (namely S. reilianum f. sp. zeae, SRZ, and S. reilianum f. sp. reilianum, SRS) produce spores either on maize or on sorghum. For plant infection, mating compatible haploid sporidia need to fuse and form infectious dikaryotic filaments that infect the plant at seedling stage and cause disease phenotype in the form of spore development in male and female inflorescences of the plant. Despite both formae speciales being very closely related on the genomic level why they differ in terms of host selection remains elusive. To know the host determining factors we generated sexual spores by crossing the compatible SRZ strain SRZ1_5-2 (mating type a1b1) with the SRS strain SRS2_H2-7 (mating type a2b6). Meiotic progeny (SRSZ) with the mating type a1b1 were selected and tested for virulence on sorghum after mating with SRS_H2-7. Virulence assays showed that the progeny were either non-virulent or showed various degrees of disease phenotype. We selected 110 non-virulent offspring, 50 offspring with full virulence and 29 offspring with intermediate virulence on sorghum for genotype analysis. Genomic DNA of 191 strains (189 offspring and 2 parental strains) was isolated and sequenced using Illumina technology with a read length of 125 nt in paired end. Mapping of the reads against the two assembled sister parental genomes showed that parental origin of chromosomal regions could be un-ambiguously assigned for all SRSZ strains. Interestingly, few strains contained partially duplicated genomic regions, i.e. carrying the same chromosomal fragments from both parents. Correlation of phenotype with parental origin of genomic loci revealed a region of 35 genes in the left arm of chromosome 7 potentially associated with the virulence phenotype on sorghum. Analysis of this region revealed a cluster of 9 genes that were expressed in planta, showed low sequence conservation and coded for proteins carrying predicted secretion signal peptides. Deletion of this gene cluster in forma specialis SRS and subsequent virulence analysis showed that this cluster is essential for the spore forming capacity of SRS in sorghum. These results indicate the power of classical genetics combined with genotype to phenotype association analysis using Next generation sequencing approaches for the discovery of genes involved in determining host specificity in S. reilianum.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020032993
Interne Identnummern
RWTH-2019-03473
Datensatz-ID: 759307
Beteiligte Länder
Germany
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