Investigation of host specificity mechanisms of Sporisorium reilianum in maize and sorghum

Poloni, Alana; Slusarenko, Alan; Schirawski, Jan

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-028365

Investigation of host specificity mechanisms of Sporisorium reilianum in maize and sorghum

Poloni, Alana

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Alana Poloni

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

Umfang123 Bl. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Schirawski, Jan (Thesis advisor) ; Slusarenko, Alan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-02-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-028365
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/479032/files/479032.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/479032/files/479032.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biowissenschaften, Biologie (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570
DDC: 570

Kurzfassung
Sporisorium reilianum ist ein Brandpilz und verursacht Kopfbrand bei Mais und Hirse. Es existieren zwei formae speciales der Pilze: S. reilianum f. sp. reilianum (SRS) ist sehr virulent auf Hirse, kann jedoch auf Maispflanzen keine Sporen bilden, während S. reilianum f. sp. zeae (SRZ) Kopfbrand auf Mais verursacht, aber unfähig ist diese Symptome in Hirse zu erzeugen. Um Wirtsspezifität in S. reilianum zu verstehen, wurde eine detaillierte Charakterisierung der Kolonisierung von Hirse und Mais mit SRS und SRZ durchgeführt. Dazu wurden verschiedene Techniken verwendet: Fluoreszenz- und Elektronenmikroskopie, Quantifizierung der Pilz-DNA, RT-PCR und Transkriptomanalyse. SRS erreichte die Apikalmeristeme von Hirse, während SRZ in den beimpften Blättern verblieb. In Mais konnen sowohl SRS als auch SRZ von inokulierten Blätter zu den Knoten wachsen, wogegen SRS keine Sporen produzierte und Phyllodie induzierte. Desweiteren wurden Unterschiede in den Zellwanddicken in Mais für SRS und SRZ beobachtet. Um die Unterschiede in der Pflanzenbesiedlung zu verstehen, untersuchte ich die Abwehrreaktionen der Pflanzen. Mais reagierte ähnlich für SRS und SRZ mit einer sehr schwachen Bildung von Wasserstoffperoxid und Callose. Genexpression und Transkriptom-Analysen zeigten geringe Unterschiede zwischen SRS und SRZ. Von SRS und SRZ wurden unterschiedliche Gruppen an Genen hochreguliert, die jedoch an ähnlichen Prozessen beteiligt waren. Das deutet darauf hin, dass Mais auf die Infektion mit SRS oder SRZ ähnlich reagiert. In Hirse induzierten SRZ-Hyphen Wasserstoffperoxid, Callose, Phytoalexine und die Expression von mehreren Genen, die an Abwehrreaktionen beteiligt sind, während SRS nur leichte Abwehrreaktionen verursachte. In mit SRZ infizierter Hirse Pflanzen zeigten Genexpression und Transkriptom-Analysen eine dramatische Hochregulation von mehreren Genen, die an Abwehrreaktionen beteiligt sind, während SRS induzierte Gene hauptsächlich an der pflanzlichen Zellvermehrung beteiligt waren. Diese Ergebnisse zeigen, dass Wirtsspezifität in S. reilianum bei Mais und Hirse durch verschiedene Faktoren geregelt wird.

Sporisorium reilianum is a smut fungus that causes head smut of maize and sorghum. The fungus exists in two host-adapted formae speciales: S. reilianum f. sp. reilianum (SRS) produces spores on sorghum, while S. reilianum f. sp. zeae (SRZ) generates spores on maize. To elucidate the factors leading to host specificity in S. reilianum, a detailed characterization of SRS and SRZ colonizing maize and sorghum was performed. To this end, fungal proliferation, plant defense responses and transcriptome changes in both host plants were examined. In sorghum, SRS entered the vascular bundles and reached the apical meristems, while SRZ stopped in the inoculated leaves. In maize, both SRS and SRZ were able to grow from inoculated leaves to the nodes, but SRS was not able to produce spores, only inducing the formation of phyllody. Additionally, EM microscopy revealed differences in cell wall thickness between hyphae of SRS and SRZ in maize. To understand the differences in colonization behavior, different plant defense responses were investigated. Maize reacted similarly to both SRS and SRZ with a very weak production of H2O2 and callose for both strains. Expression analysis of marker genes involved in plant defense and transcriptome analysis showed small differences between SRS and SRZ. Mainly, different sets of genes involved in similar processes were upregulated by SRS and SRZ, suggesting that the plant reacts similarly when infected with SRS or SRZ. In sorghum, very early stages of the infection process already showed differences between SRS and SRZ regarding the morphology and abundance of appressoria. Hyphae of SRZ induced strong deposition of H2O2, callose, and phytoalexins, while SRS triggered only a weak deposition of H2O2 and callose. Expression and transcriptome analysis revealed a dramatic upregulation of several genes involved in defense responses in sorghum infected with SRZ, while SRS-induced genes were mainly involved in plant cell multiplication. These results indicate that host specificity in S. reilianum is governed by distinct factors in maize and sorghum and it is determined at a much earlier stage in sorghum than in maize.

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