Abstract:
Holzfäule und ähnliche Krankheiten bedrohen zunehmend den weltweiten Bestand an Weinbergen. Zwar wurden Weinstockkrankheiten bereits im zwölften Jahrhundert detailreich beschrieben, doch breiten sie sich in den letzten Jahrzehnten infolge des Klimawandels massiv aus und sorgen für erhebliche wirtschaftliche Einbrüche. Nach dem Verbot von Arsen in chemischen Behandlungsmitteln rückten vermehrt nachhaltige Strategien zur Kontrolle von Krankheiten in den Fokus.
Eine nachhaltige und sichere Alternative zu Fungiziden ist die Suche nach resistenten, nahen Verwandten der Kultur-Pflanze, um diese für die Resistenz-Züchtung zu verwenden. ... mehrEine Population von Wildreben (Vitis vinifera spp. sylvestris) hat auf einer Rheininsel überlebt und dort, wohlmöglich, unter natürlichem Selektionsdruck Resistenzen gegen Botryosphaeria entwickelt. Um die 89 individuellen Linien von V. sylvestris wurden im botanischen Garten des KITs eingelagert und kultiviert. Zusätzlich wurde das Genom der Pflanzen sequenziert und auf Single Nucleotide Polymorphismen (SNPs) gescreent. Repräsentative Linien aus verschiedenen Untergruppen der Population wurden mit Myzelium von Neofusicoccum parvum (Bt strain 67) angeimpft, um experimentell Botryosphaeria Sterben zu induzieren. Die Anfälligkeit der verschiedenen Linien gegen Botryosphaeria wurde über die Ausbildung von Holznekrosen durch das Pathogen quantifiziert. Des Weiteren wurde die Verbreitung der Hyphen über das Xylem mittels Kryo-Scanning-Elektronenmicroscopie gemessen. Trotz unterschiedlicher Kolonisierungsmuster konnte keine Korrelation zwischen Holzstrukturierung und Infektionserfolg festgestellt werden.
Dennoch konnten anhand der Kolonisierungsmuster resistente und anfällige Genotypen bestimmt werden, die in Folge auf ihre Verteidigungsantworten untersucht worden. Dazu wurden das Metabolom-Profil und die Strady-State Transcript Level von Verteidigungsgenen untersucht. Eine HPLC MS Analyse wies bei resistenten Genotypen eine hohe Ansammlung von Stilbenen gegen die Infektion auf, wobei zum Großteil unglykosylierte Viniferin Trimere gefunden wurden. Anfällige Genotypen hingegen wiesen generell weniger Stilbene auf. Diese waren sogar zu einem deutlich größeren Teil glykosylierte Stilbene wie kurzfristig Piceid und längerfristig größere Einlagerungen von Ligninen. Erste Studien deuteten auf ein Modell hin, nach welchem die resistenten Genotypen den Phenylpropanoid-Stoffwechsel schnell in Richtung unglykolysierter Stilbene umleiten. Zudem weisen diese Genotpyen einen Chemotypen auf, der resistent gegen Weinstockkrankheiten ist und ebnen damit einen Weg für die Resistenz-Züchtung gegen Botryosphaeria-Sterben.
Es wurde des Weiteren erforscht, ob der von Botryosphaeria verursachte Apoplexie-Ausbruch in den Weinberg durch spezifische Pflanzensignale ausgelöst wird. Hier konnte ein neues Element in der Kommunikation zwischen Pflanze und Pathogen identifiziert werden; das „Surrender Signal“. Der Pilz wechselt zu einem nekrotrophen Verhaltensmuster, wenn er in der ständigen, auf chemischen Stoffen basierenden Kommunikation mit dem Wirt, ein Ansammeln von trans-Ferulasäure, einem Vorgänger von Lignin, erkennt. Wenn die infizierte Rebe unter Trockenstress gerät, was Klimawandel bedingt zunimmt, bildet die Pflanze erhöhte Mengen Lignin, welche mit steigenden Leveln an trans-Ferulasäure einhergehen. Dies erkennt der Pilz als eine Art Warnsignal, auf welches er durch den Wechsel zu einem sexuellen Lebenszyklus reagiert, infolgedessen der Wirt getötet wird.Dies ermöglicht dem Pilzin Fortbestehen durch einen Wirtswechsel. Über eine „bio-activity-guided fractionation“ konnte das Polyketid eines Fusicoccin A Derivats als potenzielles Toxin identifiziert werden, das die Apoplexie in der Weinrebe verursacht.
Nähere Untersuchungen zur Fusicoccin StresssSignalübertragung zeigten, dass das Toxin Plasmamembran ATPasen und die Generation von Superoxiden erheblich aktiviert. Zusätzlich reguliert es die Genexpression von Genen hoch, welche in Vitis Zellen den Phenylpropanoid-Stoffwechselweg, Phytohormon Signalwege, und Metakaspasen-abhängigen (MC2 und MC5) regulieren. Fusicoccin beeinflusst zusätzlich die Struktur des Cytoskeletts, in dem es Mikrotubuli-Abbau und Aktin-Bündelung induziert. Verschiedene Faktoren zeigen wichtige Rollen in der Signalübertragung des Fusicoccin-Stresses, wie beispielsweise 14-3-3 Proteine, „Respiratory Burst Oxygen“ Homologe, das Cytoskelett und Metakaspasen (MC2 und MC5).
Abstract (englisch):
Vineyards worldwide face a severe threat of wood-decaying diseases recently. Although Grapevine Trunk Diseases were described in detail since the 12th century, they accentuated in the last decade, causing serious economic losses due to climate change. Sustainable strategies became an integral approach for constraining the disease outbreak in infected vineyards after banning the chemical control by Arsenates due to their ecotoxic effects
The first strategy to achieve sustainability and a safe alternative to fungicides is to search for resistant wild crop relatives for breeding host resistance. ... mehrFollowing this hypothesis, an ancient wild grapes population (Vitis vinifera spp. sylvestris) survived under natural selection pressure in central Europe, along the Rhine river, were screened against Botryosphaeria dieback. Around 89 accessions of V. sylvestris population were harbored at the Botanical Garden of Karlsruhe Institute of Technology and genetically mapped based on whole-genome Single Nucleotide Polymorphism (SNPs). Representative accessions (from different subclades of the population) were inoculated with mycelia plugs of Neofusicoccum parvum Bt strain 67 as an experimental model causing Botryosphaeria Dieback. The susceptibility of the candidate genotypes towards Botryosphaeria dieback was measured by their ability to induce wood necrosis, and the hyphal coverage through infected xylem vessels using Cryo Scanning Electron Microscopy. While there were different colonization patterns among the tested genotypes, there was no correlation between wood architecture and infection success.
Nevertheless, the variable colonization patterns brought up resistant and susceptible genotypes, which were mapped for their defense responses using the steady-state transcripts of defense genes and metabolomics profiles. HPLC-MS analysis showed that resistant genotypes have a robust stilbenes accumulation against infection, which was significantly channeled towards non-glycosylated viniferin trimers. On the other hand, the susceptible lines accumulated less stilbenes with a substantially higher proportion of glycosylated stilbenes, in the form of piceid, in the short-term and higher lignin deposition in the long-term. The first study came with a model showing that the resistant genotypes allocate rapidly and specifically phenylpropanoid metabolism towards the non-glycosylated stilbenes. Besides, it pinpoints a resistant chemotype against grapevine trunk diseases and paves a way to resistance breeding against grapevine Botryosphaeria Dieback.
Further research was performed to identify whether the apoplexy outbreak, driven by Botryosphaeriaceae fungi in vineyards, is triggered by specific plant signals. This study arrived to a new level of plant-pathogen crosstalk, the so-called “plant surrender signal”. The fungus switches to the necrotrophic behavior based on chemical communication with the host when it accumulates a lignin precursor, trans-ferulic acid, as the targeted plant surrender signal. While infected grapevines synthesize more lignin under drought stress, which is commonly accentuated under current climate change, the fungus perceives trans-ferulic acid as an alert signal to kill the faint host and turn for sexual cycle searching for new hosts. After Bioactivity guided fractionation for the fungal metabolites, the polyketide “Fusicoccin A derivative” was identified as the potential toxin driving the apoplexy outbreak in grapevines.
Dissecting stress signaling of Fusicoccin showed that it strongly activated both plasma membrane ATPases and superoxide generation. In addition, it upregulated genes regulating the phenylpropanoid pathway, phytohormones signaling, and cell death signaling such as Metacaspaces (MC2 and MC5) in Vitis cells. Fusicoccin also changed cytoskeletons integrity, causing microtubules depletion and actin bundling. Many molecular players showed a crucial role in regulating Fusicoccin stress signaling, such as 14-3-3 proteins, Respiratory burst oxygen Homolog, cytoskeletons, and Metacaspaces (MC2 and MC5).
