Kontrolle von Verticillium-bedingten Krankheiten und Resistenzmechanismen von

Der Lebenszyklus von Verticillium weist einige Besonderheiten auf, die die Kontrolle Verticillium-aus-gelöster Krankheiten erschweren. In einem frühen Stadium der Infektion wächst der Pilz innerhalb des vaskulären Gewebes einer Pflanze, was die Bekämpfung des Pilzes mit Fungiziden unmöglich macht, ohne die Pflanze in ihrem Wachstum zu beeinflussen oder gar zu töten. Die Langlebigkeit der Überdauerungsformen stellt ebenfalls ein großes Problem dar, um Verticillium-vermittelte Krankhei-ten zu kontrollieren. Zur Eindämmung der KrankheiKrankhei-ten wurde ein Focus auf Versuche gelegt, die Menge des Inokulums im Boden von Anbaugebieten zu verringern. So wurde lange Zeit Bromome-than als Schädlingsbekämpfer eingesetzt. Aufgrund der damit einhergehenden Nebenwirkungen auf die Umwelt wurde die Anwendung wieder begrenzt (Martin, 2003). Eine wechselnde Fruchtfolge auf den Anbaugebieten zeigt allein für V. longisporum aufgrund seines eingeschränkten Wirtsspektrums Effizienz. So kann eine mehrjährige Unterbrechung in der Raps-Fruchtfolge das Inokulum im Boden effektiv verringern (Pegg und Brady, 2002).

Wegen der bisher wenig effizienten Maßnahmen die Krankheit, ausgelöst durch Verticillium, zu kon-trollieren, sind neue Strategien zur Limitierung der Verticillium-Verbreitung notwendig. Die favori-sierte Methode ist dabei die Züchtung genetisch resistenter Pflanzen, in Europa speziell von Brassica napus aufgrund der wachsenden Nachfrage als Quelle für Biokraftstoff und Speiseöl.

Im Focus der bisher genetisch basierten Resistenzmechanismen einer Pflanze gegenüber Verticillium liegt der in Tomatenpflanzen identifizierte polygene Resistenz-Locus Ve1 , der Resistenz gegenüber V. dahliae und V. albo-atrum vermittelt (Kawchuk et al., 2001). Ve1 kodiert für einen pu-tativen, Plasmamembran-lokalisierten, leucine-rich repeat-Rezeptor der Klasse der RLPs (recep-tor-like protein) (Kawchuk et al., 2001). Als Ligandensensor erkennt Ve1 den sezernierenden Effektor Ave1 von Verticillium (Zhang et al., 2014). Aufgrund der Bindung von Ve1 mit SOBIR1 (SUPPRESSOR OF BIR1), einer Rezeptor-ähnlichen Kinase, erfolgt die intrazelluläre Signalweiterleitung und die da-mit einhergehende Ve1-verda-mittelnde Immunität (Fradin et al., 2014; Liebrand et al., 2013). Funktio-nale Komplementationsanalysen wurden mit suszeptiblen Kartoffelsorten durchgeführt. Ve1 vermit-telt auch in anderen Solanaceae (Nachtschattengewächse) Resistenz gegnüber V. albo-atrum (Kawchuk et al., 2001).

Neben den RLPs unterscheidet man ebenfalls die Klasse der RLKs (receptor-like kinases). Beide Klas-sen der R-Proteine weiKlas-sen extrazelluläre LRR-Regionen sowie eine einzelne Transmembrandomäne auf. RLKs besitzen zusätzlich eine cytoplasmatische Serin/Threonin-Kinase-Domäne und sind somit nicht auf die Interaktion mit externen Kinasen zur Signalweitergabe angewiesen (Joosten und de Wit, 1999; Kruijt et al., 2005). Die Präsenz vieler RLPs und RLKs in diveresen Pflanzenspezies suggeriert,

dass diese Gene eine wichtige Rolle in der Wahrnehmung und Weiterleitung von Pflanzenpathoge-nen spielen (Kruijt et al., 2005).

Ein Beispiel für eine solche RLK in Arabidopsis thaliana ist die Zellwand-assoziierte Rezeptor-ähnliche Kinase RFO3 (RESISTANCE TO FUSARIUM OXYSPORUM). Sie vermittelt Resistenz gegenüber einem weiteren bodenbürtigen, vaskulären Pflanzenpathogen, Fusarium oxysporum f.sp. matthioli (FOM).

Nach Infektion von Arabidopsis mit dem Wurzelpathogen F. oxysporum kommt es zur erhöhten Ex-pression von RFO3 im vaskulären Gewebe. Pfropfungsexperimente zeigen, dass die ExEx-pression von RFO3 in Wurzeln die Infektion des vaskulären Gewebes durch das Pathogen verhindert und somit maßgeblich an der Resistenz-vermittelnden Funktion beteiligt ist (Cole und Diener, 2013).

Resistenz-vermittelnde Prozesse können neben der prävaskulären Phase auch erst später, in der vaskulären Phase, anlaufen (Talboys, 1972). Wenn der Pilz die prävaskuläre Abwehr überwunden hat, kann die Deposition von Suberin in vaskulären Zellen eine Barriere gegen die Penetration vom Pilz formen und verhindert somit die horizontale Ausbreitung des Pathogens über Xylemgefäße (Robb et al., 1989). In dieser Phase der Infektion unterstützt die Akkumulation verschiedener antimikrobieller Substanzen die Abwehr der Pflanze. Dazu zählen bspw. PR- (pathogenesis-related) Proteine wie Glucanasen und Chitinasen, phenolische Komponenten und Phytoalexine wie bspw. elementarer Schwefel (Daayf et al., 1997; Fradin und Thomma, 2006). Generell werden diese Substanzen in resis-tenten als auch in suszeptiblen Pflanzen gebildet. Resistente Pflanzen weisen jedoch erhöhte Men-gen der Substanzen auf.

Durch die Analyse apoplastischer Waschflüssigkeiten Verticillium-infizierter Brassicca napus var.

napus-Blätter wurden weitere Proteine gefunden, deren Expression nach Infektion signifikant indu-ziert wurden. Unter anderem wurde ein Germin-ähnliches Protein (GLP3) gefunden (Floerl et al., 2008). Durch Infektionen einer T-DNA-Insertionslinie des GLP3 wurde im Vergleich zum WT eine grö-ßere infektionsbedingte Reduktion der Blattfläche und Biomasse gezeigt. GLP3 ist somit in Resis-tenz-vermittelnde Reaktionen gegen Verticillium involviert (Drübert, 2011).

Ein weiteres Protein COI1, der Rezeptor für JA-Ile, ist in Suszeptibilität-vermittelnde Prozesse gegenüber V. longisporum und auch Fusarium oxysporum involviert (Ralhan et al., 2012; Thatcher et al., 2009). Nach Infektion mit V. longisporum zeigt die JA-Hormonrezeptormutante coi1-t weniger ausgeprägte Krankheitssymptome als seine entsprechende Hormon-Biosynthesemutante aos. Diese Ergebnisse waren ungewöhnlich, da beide Mutanten, sowohl coi1-t als auch aos eine Mutation im Jasmonsäureweg aufweisen und daher keine JA-vermittelnde Genexpression, die Resistenz gegen-über nekrotrophen Pathogenen vermittelt, aktivieren können. Während für die Interaktion mit Fusa-rium noch über Oxylipine, abgeleitet vom Pilz, diskutiert wird, konnte für die V. longisporum-Pflan-zen-Interaktion die Synthese von JA-Ile des Pilzes wiederlegt werden (Thatcher et al., 2009; Ralhan

Einleitung

et al., 2012). Da von V. longisporum keine JA-Ile ähnliche Substanz gebildet wird, die COI1 aktiviert, wird im Gegensatz zur klassischen Funktion von COI1 als Rezeptor für JA-Ile, eine JA-Ile unabhängige Funktion von COI1 postuliert, die Suszeptibilität gegenüber V. longisporum vermittelt. Durch Pfrop-fungsexperimente von chimären Pflanzen wurde gezeigt, dass diese neue Funktion von COI1 in der Wurzel aktiv ist und im oberen Pflanzenteil dem Pilz ermöglicht, Krankheitssymptome in Arabidopsis thaliana hervorzurufen (Ralhan et al., 2012).