Interaction of the Beet necrotic yellow vein virus with the auxin pathway in Beta vulgaris – Investigations on the molecular mechanism and impact on pathogenicity, symptom development and viral spread.
Final Report Abstract
Das Beet necrotic yellow vein virus (BNYVV) verursacht die Rizomania-Krankheit in Zuckerrübe, die aufgrund ihrer ertragsschädigenden Wirkungen von besonderer Bedeutung für den Zuckerrübenanbau ist. Das charakteristischste Krankheitssymptom ist eine massive Seitenwurzelbildung am Rübenkörper. Da die Seitenwurzelbildung maßgeblich durch das Pflanzenhormon Auxin reguliert wird, wurde in der Vergangenheit eine Interaktion von BNYVV mit dem Auxinsignalweg in Zuckerrübe vermutet. Im Rahmen des DFG-Projektes sollte dieser Zusammenhang genauer untersucht werden, mit dem Ziel vor allem die molekularen Ursachen aufzuklären. Im Auxinsignalweg spielen die Aux/IAA Proteine eine entscheidende Rolle, denn sie wirken im Zellkern als Transkriptionsrepressoren und blockieren die „auxin response factors“ (ARFs), die als Transkriptionsfaktoren die Expression Auxin abhängiger Gene regulieren. Aux/IAA Proteine werden in Folge einer steigenden Auxinkonzentration in der Zelle abgebaut, wodurch die ARFs wieder als Transkriptionsfaktoren agieren können. Dieser Schritt ist entscheidend für Steuerung der Seitenwurzelbildung durch Auxin. Eine Interaktion von BNYVV mit dem Auxinsignalweg hätte vermutlich eine Veränderung der Auxinkonzentration in den Seitenwurzeln zur Folge. Tatsächlich konnten wir in Infektionsversuchen zeigen, dass die Auxinkonzentration in BNYVV infizierten Seitenwurzeln der Zuckerrübe signifikant zunimmt. Auf Grund der zentralen Bedeutung von Aux/IAA Proteinen im Auxinsignalweg, sollte geprüft werden, welche Kandidaten aus Zuckerrübe mit BNYVV interagieren. Aus einer früheren Arbeit war bereits bekannt, dass der Pathogenitätsfaktor P25 von BNYVV mit dem IAA28 aus Zuckerrübe interagiert. In diesem Projekt konnte mit drei unabhängigen Verfahren (YTH, BiFC und Co-IP) gezeigt werden, dass P25 auch mit den Aux/IAAs IAA2 und IAA6 interagiert. Mittels subzellulärer Lokalisation konnte gezeigt werden, dass die Interaktion auf den Zellkern beschränkt ist und P25 keinen Einfluss auf die Lokalisation der beiden Aux/IAA Proteine hat. Eine Veränderung der Genexpression von IAA6 und IAA2 während der BNYVV Infektion ließ sich nicht feststellen. Die genaue Identifizierung der Interaktionsdomäne sowohl im P25 als auch in den beiden Aux/IAAs war nicht möglich, denn sämtliche Veränderungen an den Proteinen führten zum Verlust der Interaktion. Dies war vor allem bei P25 auffällig, denn selbst die Deletion oder der Austausch einer einzelnen Aminosäure verhinderte eine Interaktion. Bereits aus Studien mit Arabidopsis thaliana ist bekannt, dass der Auxin vermittelte Abbau von Aux/IAA Proteinen für die Seitenwurzelbildung wichtig ist. Daher wurden alle Interaktionspartner (IAA2, IAA6, IAA28) in planta funktionell charakterisiert. Zunächst wurde versucht die Expression beider Gene durch ein TRV basiertes „virus-induced gene silencing“ (VIGS) in Zuckerrübe zu reprimieren. Ebenso wurde eine heterologe Expression über TRV ausprobiert, jedoch waren beide Ansätze in Zuckerrübe nicht erfolgreich. Daher wurde auf die Modelpflanzen Nicotiana benthamiana zurückgegriffen, die TRV anfällig ist und somit eine heterologe Expression aller IAAs erlaubte. Hierbei zeigte sich bei allen drei Kandidaten ein deutlicher Einfluss auf die Seitenwurzelbildung infolge der heterologen Expression. Der Wurzelapparat war reduziert und die Pflanzen gestaucht. Dieser Effekt ließ sich sogar durch die Expression Abbau resistenter Varianten weiter verstärken. Damit konnte gezeigt werden, dass alle Interaktionspartner von P25, zumindest in der Modelpflanze N. benthamiana die Seitenwurzelbildung beeinflussen können. Es bleibt zu beweisen, ob dieser Effekt auch in Zuckerrübe vorhanden ist. Durch die Identifizierung und Charakterisierung neuer Interaktionspartner von P25 konnte mit dem Projekt ein Beitrag zum besseren Verständnis der Pathogenität von BNYVV geleistet werden. Wie bereits für andere Pflanzenviren gezeigt, scheint auch BNYVV mit dem Auxinsignalweg seines Wirtes zu interagieren. Die hierbei identifizierten Aux/IAA Proteine scheinen einen Einfluss auf die Seitenwurzelbildung zu haben, jedoch hat die Interaktion mit P25 keinen Einfluss auf deren subzelluläre Lokalisation. Daher bleibt es unklar, welchen Effekt die Interaktion mit P25 auf die Aux/IAAs hat. Es ist denkbar, dass durch die Interaktion mit P25 die Repressorfunktion der Aux/IAAs aufgehoben wird, wodurch eine Expression Auxin abhängiger Gene stattfinden kann. Ein experimenteller Nachweis muss jedoch hierfür noch erfolgen. Die Projektergebnisse bieten somit eine gute Grundlage für weitere Forschungsaktivitäten in diesem Bereich.
Publications
-
Interaction of AUX/IAA proteins in sugar beet with the viral pathogenicity factor P25 of BNYVV 15. PSSC - Plant science student conference, 18.-21. Juni in Halle (Vortrag)
Muellender M., Varrelmann M. & Liebe S.
-
Interaction of Aux/IAA proteins in sugar beet with the viral pathogenicity factor p25 of BNYVV. International Advances in Plant Virology, 29.-31. Oktober in Rom (Poster)
Muellender M., Varrelmann M. & Liebe S.
-
Interaction of Aux/IAA proteins in sugar beet with the viral pathogenicity factor p25 of BNYVV. 52. Jahrestagung des DPG-Arbeitskreises Viruskrankheiten der Pflanze, 15./16.03.2022 (Vortrag - online)
Muellender M., Varrelmann M. & Liebe S.
-
Interaction of Aux/IAA proteins in sugar beet with the viral pathogenicity factor p25 of BNYVV. AAB Conference: International Advances in Plant Virology, 20.-22. April 2021 (Poster – online)
Muellender M., Varrelmann M. & Liebe S.
-
Interaktion von Aux/IAA Proteinen mit dem viralen Pathogenitätsfaktor p25 von BNYVV. 62. Deutsche Pflanzenschutztagung, 21.-23. September 2021 (Vortrag - online)
Muellender M., Varrelmann M. & Liebe S.
-
Manipulation of auxin signalling by plant viruses. Molecular Plant Pathology, 22(11), 1449-1458.
Müllender, Maximilian; Varrelmann, Mark; Savenkov, Eugene I. & Liebe, Sebastian
-
The Virulence Factor p25 of Beet Necrotic Yellow Vein Virus Interacts With Multiple Aux/IAA Proteins From Beta vulgaris: Implications for Rhizomania Development. Frontiers in Microbiology, 12.
Muellender, Maximilian M.; Savenkov, Eugene I.; Reichelt, Michael; Varrelmann, Mark & Liebe, Sebastian
