Ecosystem on a Chip: Understanding communication between plant and fungus

In jeder Symbiose ist das Verhältnis der zwei beteiligten Spezien geprägt vom Austausch und der Erkennung von Signalen. In parasitären Beziehungen, konzentriert sich die angreifende Spezies auf das Vermeiden ihrer Erkennung, während die Wirts-Spezies kontinuierlich ihre Möglichkeiten verbessert, Eindringlinge zu entdecken. Änderungen im globalen Klima ändern das Gleichgewicht, in dem sich Spezien befinden, indem sie den Wirt erheblich schwächen oder den Pathogenen ermöglichen, in neue Gebiete vorzudringen und naive Wirte zu treffen, die ihren Angriffen gegenüber anfällig sind. ... mehrUm die existenzbedrohenden Ernteverluste zu reduzieren, die von Pathogenen verursacht werden, setzen Agrarwirte chemischen Pflanzenschutz ein. Dieser kann, bei exzessivem Gebrauch, den Landwirt finanziell und dem Ökosystem durch Nebenwirkungen schaden. Alternativ könnten immunoaktive Substanzen verwendet werden, um die inhärenten Verteidigungsfähigkeiten von Pflanzen zu stärken, indem man das „Defence Priming“ der Pflanzen nutzt. Hier verursacht ein vorhergehender Stress Stimulus, dass die Verteidigungsreaktion einer Pflanze schneller und stärker ausfällt, sollte ein Pathogen angreifen. So wird die Interaktion zwischen Pathogen und Wirtspflanze zu Gunsten der Pflanze manipuliert. In dieser Arbeit wurde der Wirkungsmechanismus von pilzlichen Metaboliten von Roesleria subterranea untersucht, die von unseren Projektpartnern am ibwf, Mainz als bioaktiv identifiziert wurden. Zusätzlich wollten wir Methoden etablieren, Mikrofluidische BioReaktoren (MBR) zu nutzen, um die Verteidigungsreaktion von Pflanzenzellen zu quantifizieren, die in ihnen kultiviert werden. Es sollten die Konzentrationsmessung von Reaktiven Oxygen Spezien (ROS) und eine Beobachtung des extrazellulären pHs getestet werden. Wir haben das etablierte Design des MBR geändert und getestet, um pilzliche Zellen darin zu beherbergen, um sie in möglichen Co-Kultivierungs Experimenten unter kontinuierlicher Beobachtung zu verwenden.
Unter den R. subterranea Metaboliten konnten wir das AcetonAduct von Entatreventinon (AaE) als möglichen Effektor identifizieren, der in der Lage zu sein scheint, die Synthese von Phytoalexinen von dem Programmed Cell Death (PCD) einer erfolgreichen Immunreaktion der Pflanze zu trennen. Mit den MBR wurden erfolgreiche Experimente durchgeführt, in denen wir den pH kontinuierlich messen konnten und konnten signifikante Unterschiede in der H2O2 Konzentration im ausfließenden Medium des MBRs messen. Das Kultivieren von Pilz-Zellen im MBR war nur für kurze Zeiträume möglich, in denen wir jedoch ein erfolgreiches Co-Kultivierungsexperiment durchführen konnten.
Zusammenfassend, konnte diese Arbeit das Potential demonstrieren, MBRs zu nutzen, um die Parameter einer pflanzlichen Immunreaktion während des Kultivierens auszulesen. Es wurden mögliche Verbesserungenmöglichkeiten im System erkannt, um die Methoden zu vereinfachen und zu beschleunigen. Zusätzlich wurde AaE als möglicher Effektor erkannt, der in der Lage zu sein scheint, die Synthese von Phytoalexinen von der Induktion des PCD zu trennen, der fester Bestandteil einer erfolgreichen Verteidigung der Wirtspflanze ist.

In symbiosis, the relationship between the two species relies on the exchange and recognition of signals. In parasitism, the attacking species focuses on the avoidance of detection, whereas the host species strives to improve its ability to recognize the presence of the invader. Climate change throws off the balance that has been achieved by long evolutionary periods by weakening the host or by enabling pathogens to spread to new regions, meeting naïve hosts that are susceptible to their attacks. To reduce the devastating yield losses caused by pathogens, farmers apply chemical plant protection. ... mehrExcessive use of herbi- and fungicides can be economically costly and cause unintended damage to the environmental ecosystem. Alternatively, immunoactive compounds could be used to strengthen the plant's inherent defence capabilities by exploiting the defence priming. Prior exposure to a stress stimulus causes plants to react stronger and quicker, once a pathogen attacks to shift the immune-related interaction in the favour of the host plant. In this work, we aimed to identify the mode of action of bioactive fungal metabolites of Roesleria subterranea, identified by our project partner at the ibwf, Mainz. Additionally, we aimed to establish methods to quantify the defence reaction of a plant cell suspension cultivated in a Microfluidic BioReactor (MBR), like measuring the concentration of Reactive Oxygen Species (ROS) and monitoring the extracellular pH. We modified the established design of the MBR to potentially cultivate fungal cells to perform co-cultivation experiments with plant and fungal cells in the same system while monitoring the cells’ reaction.
Within the R. subterranea metabolites, we identified the AcetonAduct of Entatrevenetinon (AaE) to be a potential effector, uncoupling the synthesis of phytoalexins from the initiation of Programmed Cell Death (PCD) inherent to a successful defence reaction. For the MBR we conducted successful proof-of-concept experiments to continuously measure the pH in the MBR and detect significant differences in the H2O2 concentration in the outgoing medium. The cultivation of fungal cells within the MBR was possible for shorter periods and preliminary co-cultivation experiments were successful.
In summary, this work demonstrated the feasibility of multiple applications of the MBR in measuring parameters of the plant immune response and identified possible improvements to streamline these methods. Additionally, we identified AaE as a potential effector in uncoupling phytoalexin synthesis from the PCD inherent to a successful defence reaction of the plant.