Genetische Analyse der Nichtwirtsresistenz gegenüber biotrophen Mehltaupilzen in Arabidopsis thaliana

Pflanzen sind während ihres Lebenszyklus einer Vielzahl von potenziellen Pathogenen ausgesetzt. Jedoch sind nur wenige Pathogenarten bzw. Isolate einer Pathogenart in der Lage, eine Pflanzenart zu befallen und sich zu vermehren. Ist eine Pflanzenart resistent gegenüber allen bekannten Isolaten einer Pathogenart, so wird dies als Nichtwirtsresistenz bezeichnet. Eine solche Pflanzenart ist kein natürlicher Wirt für das Pathogen. Arabidopsis thaliana ist ein Nichtwirt für die biotrophen Mehltaupilze Blumeria graminis und Erysiphe pisi. Die natürlichen Wirte dieser Pathogene sind Gräser bzw. Erbsenpflanzen. Morphologische Merkmale und Daten zur molekularen Phylogenie weisen darauf hin, daß E. pisi im Gegensatz zu B. graminis nahe mit einer auf Arabidopsis virulenten Mehltauart (Erysiphe cruciferarum) verwandt ist. In vorangegangenen mutationsanalytischen Studien der Nichtwirtsresistenz in Arabidopsis konnten erstmals Mutanten mit veränderten Infektionstypen gegenüber B. graminis f.sp. hordei (Bgh) identifiziert werden (Collins et al., 2003). Mutanten der PEN1, PEN2 und PEN3-Loci erlauben eine erhöhte Invasionsrate mit nachfolgender Ausbildung eines Ernährungsorgans (Haustorium) in Blattepidermiszellen. Die weitere Pathogenese wird durch eine posthaustorielle Resistenzreaktion unterbunden, die mit einer Zelltodreaktion korreliert. Ziel dieser Arbeit war es, genetische Komponenten zu identifizieren, welche zur posthaustoriellen Nichtwirtsresistenz gegenüber Bgh und E. pisi beitragen. Dabei wurde von der Arbeitshypothese ausgegangen, daß die posthaustorielle Nichtwirtsresistenz möglicherweise auf Resistenzfaktoren beruht, die auch gegen Wirtspathogene wirksam sind. Durch systematische Einkreuzung einer Vielzahl beschriebener Defektallele in pen2-Mutanten konnten EDS1 und dessen sequenzverwandte Interaktionspartner PAD4 und SAG101 als zentrale Komponenten der posthaustoriellen Nichtwirtsresistenz identifiziert werden. Während in eds1, pad4 oder sag101-Mutanten der Infektionstyp mit Bgh nur leicht verändert ist, konnte in pad4 sag101-Doppelmutanten die Bildung seltener Bgh-Mikrokolonien beobachtet werden, deren Häufigkeit in pen2 pad4 sag101-Tripelmutanten ungefähr verdoppelt ist. Dies ist ein Hinweis auf eine genetische Redundanz von PAD4 und SAG101 und zeigt, daß PEN2 und PAD4/SAG101 vermutlich Komponenten unterschiedlicher Resistenzmechanismen sind. In wenigen Bgh-Mikrokolonien wurde zudem Konidienbildung beobachtet. Dies belegt, daß Arabidopsis ein potenzieller Wirt für Bgh ist. In der Nichtwirtsresistenz gegenüber E. pisi ist eine akkumulative Wirkung des Ausfalls von PEN2 und PAD4 oder EDS1 zu beobachten. Auf pen2 pad4, pen2 eds1 und pad4 sag101-Doppelmutanten kommt es häufig zur Sporulation von E. pisi. Im Vergleich zur Nichtwirtsinteraktion mit Bgh ist das Wachstum von E. pisi auf den getesteten Einzel-, Doppel- und Tripelmutanten deutlich erhöht. Diese quantitativen Unterschiede korrelieren mit der engen phylogenetischen Verwandschaft zwischen E. pisi und Wirtspathogenen von Arabidopsis. In einem weiteren, hypothesenfreien experimentellen Ansatz wurden pen2-Mutanten remutagenisiert und mehrere Linien mit verändertem Infektionstyp isoliert. In einer dieser Doppelmutanten ist vermehrtes epiphytisches Hyphenwachstum von Bgh und E. pisi zu beobachten. Dabei scheint in der Doppelmutante die erhöhte Anfälligkeit zumindest gegenüber Bgh auf einer Störung der posthaustoriellen Resistenz zu beruhen. Die Ergebnisse beider experimenteller Ansätze sprechen für ein mehrstufiges Modell der Nichtwirtsresistenz, in dem mindestens zwei genetisch und räumlich trennbare Resistenzfunktionen überwunden werden müssen, um Arabidopsis zu einem Wirt für Bgh und E. pisi zu machen. In diesem Modell wirken PEN1, PEN2 und PEN3 an der Zelloberfläche, während EDS1, PAD4 und SAG101 und weitere Faktoren an der Vermittlung der posthaustoriellen Resistenz beteiligt sind