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Fertility or powdery mildew resistance?
Fruchtbar oder resistent gegen Mehltau?


Zurich, Switzerland
November 12, 2010

Powdery mildew is a fungus that infects both crop and ornamental plants. Each year, powdery mildew and other plant pathogens cause immense crop loss. Despite decades of intense research, little is known of the plant molecules that allow fungal hyphae to invade the host’s epidermal cells. A European research group lead by Ueli Grossniklaus, a plant geneticist at the University of Zurich, now published a study in Science shedding a new light on mildew susceptibility in plants and its surprising link to reproduction.

Investigating mildew susceptibility in plants is not really a main research focus for Ueli Grossniklaus, a professor for plant genetics at the University of Zurich, Switzerland. Grossniklaus’ lab mainly investigates the molecular mechanism of both sexual and asexual plant reproduction. His group conducts fundamental research on the model plant Arabidopsis thaliana, whose complete genome has been deciphered.

Recently, Grossniklaus and his team uncovered a mutant that they named nortia after an Etruscan goddess of fertility. Together with FERONIA – a gene Grossniklaus’ group had previously discovered – NORTIA plays a key role in the communication between the female and male cells during fertilization. Surprisingly, examination of the structure of the NORTIA gene revealed that it was very similar to the structure the Mlo gene of barley. In barley, Mlo is responsible for powdery mildew susceptibility, with mlo mutants showing a resistance against many strains of powdery mildew infection. This mutation is the only known permanent resistance against powdery mildew infection and it is widely used in barley breeding. Plants with such inherent resistance are of great importance, as they reduce crop loss due to powdery mildew infection without the use of fungicides. Up until now, little was known about the molecular components that allow the fungus to penetrate the epidermal cells of leafs of other plants.

Pollination and fungal infections are based on similar communication mechanisms
In flowering plants, fertilization occurs after the male pollen tube penetrates the female sexual apparatus, a process controlled by NORTIA and FERONIA. Until the mid 19th century, pollen tubes were considered fungus-like pathogens, before their role in fertilization was discovered. This is because, similar to pollen tubes, pathogenic fungal hyphae penetrate the plant’s tissue via tip growth. So the scientists further investigated the connection between the tip growing pollen tubes and tip growing fungus hyphae.

”NORTIA is only expressed in sexual apparatus of the plant. So there is no way for NORTIA to be responsible for powdery mildew susceptibility,” Grossniklaus explained. Therefore, the researchers focused on the role of feronia, the second mutant important for pollen tube reception. Contrary to NORTIA, FERONIA is expressed in throughout the plant, including the leaf epidermis. In collaboration Ralph Panstruga’s group at the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne, Germany, the scientists could demonstrate that Arabidopsis with the wild-type FERONIA gene was susceptible to powdery mildew infection. Plants with an inactivated feronia gene, however, were resistant against powdery mildew. But the plant pays an enormous price for such resistance: the plant is infertile. Both identification processes – of either tip growing pollen tubes or invading fungal hyphae – seem to use the same or very similar molecules. As Grossniklaus stresses: ”This explains why plants could not get rid of the gene causing powdery mildew susceptibility during the course of evolution.”

Among researchers working on powdery mildew, these results have caused enormous interest worldwide as the signal pathway of powdery mildew infection is still poorly understood. Facing a constantly growing population, it is important to be able to breed crops beside barley with a permanent resistance against powdery mildew. The close linkage of powdery mildew susceptibility and fertility show how difficult it will be to achieve this goal.

Literature:
Sharon A. Kessler, Hiroko Shimosato-Asano, Nana Friderike Keinath, Samuel Elias Wuest, Gwyneth Ingram, Ralph Panstruga and Ueli Grossniklaus, Conserved molecular components for pollen tube reception and fungal invasion, in: Science, 12. November 2010, Vol. 330. no. 6006, pp. 968 – 971, 
DOI: 10.1126/science.1195211

 


Fruchtbar oder resistent gegen Mehltau?

 

Mehltau befällt Nutz- und Zierpflanzen und verursacht zusammen mit anderen Krankheitserregern bei Nahrungspflanzen riesige Ernteverluste. Trotz jahrzehntelanger Forschung ist bislang wenig darüber bekannt, welche molekularen Komponenten es diesem Pilz ermöglichen, in die Epidermiszellen der Wirtspflanzen einzudringen und welche Mechanismen Pflanzen anfällig für Mehltau-Infektionen machen. Jetzt hat ein europäisches Forschungsteam unter der Leitung von Ueli Grossniklaus, Pflanzengenetiker an der Universität Zürich, in «Science» Erkenntnisse publiziert, die ein völlig neues Licht auf die Mehltau-Anfälligkeit bei Pflanzen wirft.

Ueli Grossniklaus, Professor für Pflanzengenetik an der Universität Zürich, befasst sich mit den molekularen Mechanismen der Reproduktion bei Pflanzen. Vor einigen Jahren identifizierte er und sein Team zwei Gene namens Nortia und Feronia, die eine zentrale Rolle bei der Kommunikation zwischen weiblichen und männlichen Zellen beim Befruchtungsprozess spielen. Bei Untersuchungen des so genannten Nortia-Gens machten die Forscher eine weitreichende Entdeckung: Die molekulare Struktur von Nortia ist derjenigen des Mlo-Gens der Gerste sehr ähnlich. Bei der Gerste ist Mlo für die Anfälligkeit für Mehltauinfektionen verantwortlich und Mlo-Mutanten sind gegen eine Vielzahl von Mehltau-Stämmen resistent. In der Züchtung von Saatgerste wird dieser einzig bekannte dauerhafte Resistenzmechanismus denn auch intensiv genutzt: Pflanzeneigene Resistenzen tragen dazu bei, Ernteausfälle zu verhindern und den Pestizideinsatz zu verringern. Gerstenpflanzen sind resistent gegen Mehltau, wenn ihnen das Mlo-Gen fehlt. Über molekulare Komponenten, die es dem Mehltau-Pilz ermöglichen in die Blattepidermiszellen einzudringen, war bislang nur wenig bekannt gewesen.

Ähnliche Kommunikationsmoleküle bei Befruchtungsprozess und Pilzbefall
Nortia und Feronia regulieren bei Blütenpflanzen das Spitzenwachstum des Pollenschlauchs bei der Penetration des weiblichen Geschlechtsapparats. Analog wie Pollenschläuche durchdringen auch Pilzhyphen pflanzliches Gewebe durch Spitzenwachstum. Bis in die Mitte des 19. Jahrhunderts wurden Pollenschläuche denn auch als pilzähnliche Krankheitserreger aufgefasst, bevor ihre wahre Rolle für den Befruchtungsprozess erkannt wurde. Die Forscher untersuchten deshalb, ob zwischen dem Spitzenwachstum von Pollenschläuchen und dem von Pilzhyphen ein Zusammenhang besteht.

«Das Nortia-Gen wird nur im Geschlechtsapparat der Pflanze exprimiert. Es kann somit nicht für die Anfälligkeit auf Mehltau verantwortlich sein», erläutert Grossniklaus die nächste Hürde in seiner grundlegenden Forschungsarbeit. Deshalb untersuchten die Forscher Feronia, die zweite Mutante, die für die Pollenschlaucherkennung wichtig ist. Im Gegensatz zu Nortia ist Feronia in allen Pflanzenteilen aktiv, also auch in der Blattepidermis. In Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe von Ralph Panstruga vom Max Planck Institut für Züchtungsforschung in Köln konnten die Forscher nachweisen, dass Arabidopsis thaliana-Pflanzen mit dem Wildform Feronia-Gen anfällig auf Mehltau sind. Pflanzen mit inaktiviertem Feronia-Gen dagegen sind resistent gegen Mehltau. Doch diese Resistenz ist für die Pflanze mit einem hohen Preis verbunden: Die Pflanze ist unfruchtbar. Beide Erkennungsprozesse – Steuerung des Spitzenwachstums von Pollenschläuchen und von Pilzhyphen – scheinen also auf molekularer Ebene die gleichen oder wenigstens sehr ähnliche Moleküle zu nutzen. Dazu Grossniklaus: «Das erklärt, weshalb Pflanzen im Lauf der Evolution das Gen für die Mehltauanfälligkeit nicht loswerden konnten.»

Die neuen Resultate werden von Mehltau-Forschern weltweit mit grossem Interesse aufgenommen, da die Signalwege bei der Mehltau-Infektion immer noch schlecht verstanden werden. Angesichts der stetig wachsenden Weltbevölkerung wäre es wichtig, neben Gerste weitere, dauerhaft gegen Mehltau resistente Nahrungspflanzen züchten zu können. Die enge Koppelung von Mehltau-Anfälligkeit und Fruchtbarkeit zeigt aber, wie schwierig dieser Weg sein wird.

Literatur:
Sharon A. Kessler, Hiroko Shimosato-Asano, Nana Friderike Keinath, Samuel Elias Wuest, Gwyneth Ingram, Ralph Panstruga and Ueli Grossniklaus, Conserved molecular components for pollen tube reception and fungal invasion, in: Science, 12. November 2010, Vol. 330. no. 6006, pp. 968 – 971, 
DOI: 10.1126/science.1195211

 



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Website: http://www.uzh.ch/index.html

Published: November 12, 2010

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