The effect of glucosinolate hydrolysis products on plant innate immunity: investigating the crosstalk with phytohormones in Arabidopsis thaliana

Abstract

Planter, patogener og insekter er i en konstant kamp om overlevelse. Denne kampen har utviklet komplekse forsvarsmekanismer i planter mot angriperne. Mer spesifikt, en «skade-assosiert molekylær forsvarsrespons» eller en «patogen-assosiert molekylær forsvarsrespons» som aktiverer ulike signalveier som fører til uttrykk av forsvarsgener, produksjon av fytohormoner og aktivering av sekundære metabolitter som f.eks. glukosinolater. Glukosinolater reagerer med myrosinase-enzymer for å lage hydrolyserodukter som er toksiske for angriperen. Mekanismen bak de molekylære signalveiene som blir påvirket i planten som er eksponert for glukosinolat-hydrolyseprodukt er derimot fremdeles ukjent og åpner flere spørsmål. Kan eksponering av glukosinolat-hydrolyseprodukter føre til skade-assosiert molekylære forsvarsresponser i planter? Kan eksponering av glukosinolat-hydrolyseprodukter føre til «priming»-effekt, som gjør planten mer resistent mot en senere patogeninfeksjon?

I denne oppgaven ble Arabidopsis thaliana eksponert for allyl-isothiocyanat, et glukosinolat-hydrolyseprodukt, i ulike konsentrasjoner over ulike tidspunkt. Det ble vist at allyl-isothiocyanat ikke signifikant påvirker glukosinolatproduksjon og heller ikke fytohormonproduksjon av jasmonatsyre og salisylsyre. Genekspresjonanalyse viste derimot signifikante forskjeller i uttrykk av markørgener for både jasmonatsyre- og salisylsyre, som tyder på at glukosinolat-hydrolyseprodukter likevel har en effekt på planteforsvar. Et patogen-assay med Botrytis cinerea viste at pre-eksponering av allyl-isothiocyanat øker plantens motstand mot denne nekrotrofe soppen. Videre forskning burde gjøres for å forstå den molekylære påvirkningen glukosinolat-hydrolyseprodukter har på planteimmunforsvar.

Plants, pathogens, and insects are in a constant arms race. This arms race has led to complex defence responses in plants against attackers. These responses can be triggered by damage-associated molecular patterns or pathogen-associated molecular patterns, and activate the expression of defence genes, the production of phytohormones and the activation of specialized metabolites such as glucosinolates. Glucosinolates are degraded by myrosinase enzymes, which create glucosinolate hydrolysis products that are toxic for the attacker. However, the mechanism behind the molecular pathways affected in plants when they are exposed to a glucosinolate hydrolysis product is still unknown and raises multiple questions. Could exposure of glucosinolate hydrolysis products to plants cause a damage-associated molecular pattern response? Could exposure to glucosinolate hydrolysis products cause a priming effect, making plants more resistant to later attacks by pathogens?

In this thesis, Arabidopsis thaliana was exposed to allyl-isothiocyanate, a glucosinolate hydrolysis product, in different concentrations over different timepoints. It was shown that allyl-isothiocyanate did not significantly affect glucosinolate production or the levels of the phytohormones jasmonic acid and salicylic acid. Our gene expression analysis showed, however, significant differences in expression for both jasmonic acid and salicylic acid marker genes, suggesting that glucosinolate hydrolysis products affect the plant’s immunity. A pathogen assay with Botrytis cinerea revealed indeed that allyl-isothiocyanate exposure increased plant resistance to this necrotrophic fungus. Further research would have to be done to understand the molecular impact of glucosinolate hydrolysis products on plant innate immunity.