Grit Astrid Zimmermann

Germin-ähnliche Proteine der Gerste: Expression und Funktion in der Basalresistenz gegen den Mehltaupilz Blumeria graminis f.sp. hordei

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt der Naturwissenschaftlichen Fakultät I der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 07.02.2008

Abstract
Die Germin-ähnlichen Proteine werden durch Multigenfamilien kodiert, die weitverbreitet in verschiedenen Pflanzenspezies vorkommen. Für diese Proteine wurden unterschiedliche Funktionen in der Keimung von Pflanzen sowie in der Abwehr bei Pathogenbefall vorgeschlagen.
Die Multigenfamilie (HvGER) in der Gerste (Hordeum vulgare) ist durch mindestens sechs verschiedene HvGER Subfamilien präsentiert, von denen jeweils ein Gen als Vertreter ausgewählt wurde, um die Genregulationstrents dieser Subfamilien zu untersuchen. Ferner wurde die Funktion dieser Subfamilien in der Pathogenabwehr durch Genüberexpressions- als auch Gen-silencing Experimente studiert.
Ein Expressionsschwerpunkt aller sechs Subfamilien wurde in jungen Keimlingen, vorallen in Wurzel und Koleoptile gefunden. Pathogenbefall durch den Gerstenmehltaupilz (Blumeria graminis f. sp. hordei, Bgh) und Wasserstoffperoxid-Behandlung führten zu einer starken Expression einzelner HvGER Subfamilien. Die Transkripte von vier der fünf HvGER Subfamilien, die im Spross induziert waren akkumulierten vorallen in der Epidermis.
Transiente Überexpression von HvGER4 oder HvGER5 sowie transientes silencing durch RNA Interferenz von HvGER3 oder HvGER5 schützten die Gerstenepidermiszellen vor dem Befall durch Bgh. Silencing von HvGER4 induzierte Hyperanfälligkeit.
Einige Subfamilienvertreter wurden transient oder stabil exprimiert, um die entsprechenden Proteine auf die bekannten enzymatischen Aktivitäten, Oxalatoxidase und Superoxiddismutase (SOD), zu untersuchen. HvGER5 wurde als eine neue extrazelluläre Superoxiddismutase entdeckt. Durch transiente Überexpression von HvGER5, konnte gezeigt werden, daß die SOD-Aktivität des kodierenden Proteins bei der Pathogenabwehr benötigt wird. Die Daten schlagen ein komplexes Zusammenspiel der HvGER Proteine in der Feinnregulation der Basalresistenz der Gerste gegen Bgh vor.

The germin-like proteins are encoded by multigene families and are occurring in a wide range of several plant species. For these proteins different functions to play a role in plant germination and in defence responses to pathogen attack have been proposed.
The germin-like multigene familiy (HvGER) in barley (Hordeum vulgare) is represented by at least six different HvGER subfamilies. From each subfamily one gene was selected as a presentative and the trends in gene regulation of the corresponding subfamily were studied. Furthermore, the function of the subfamilies in defence response was investigated by gene overexpression as well as gene silencing.
For all of the six subfamilies a peak of expression was found in young seedlings, particularly in roots and coleoptile. Pathogen attack by the appropriate powdery mildew fungus (Blumeria graminis f.sp. hordei, Bgh) and exogenous hydrogen peroxide application caused a strong expression of several subfamilies. The transcripts of four of five HvGER subfamilies, which were induced in leaves, accumulated predominantly in the epidermis.
Transient overexpression of HvGER4 or HvGER5 as well as transient silencing by RNA interference of HvGER3 or HvGER5 protected barley epidermal cells from attack by Bgh. Silencing of HvGER4 induced hypersusceptibility.
Transient or stable expression of some subfamily members was done, in order to investigate the corresponding proteins of the known enzymatic activities, oxalate oxidase and superoxide dismutase (SOD). HvGER5 was discovered as a new extracellular SOD. Results of transient overexpression of HvGER5 demonstrated that the SOD activity of the encoded protein is required for the resistance-enhancing activity. The data suggest a complex interplay of HvGER proteins in fine regulation of basal resistance of barley against Bgh.

Keywords:
Germin-ähnliche Proteine, Basalresistenz, RNAi, Superoxiddismutase, Oxalatoxidase, Hordeum vulgare, Blumeria graminis

germin-like protein, basal resistance, RNAi, superoxide dismutase, oxalate oxidase, Hordeum vulgare, Blumeria graminis

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Inhaltsverzeichnis, Abkürzungsverzeichnis (1, I-VII)
1. Einleitung (1-24)
2. Material und Methoden (25-49)
3. Ergebnisse (50-96)
4. Diskussion (97-120)
5. Zusammenfassung (121-123)
6. Summary (124-126)
7. Literaturverzeichnis (127-139)
8. Anhang (140-148)
9. Abbildungs- und Tabellenverzeichnis (149-150)