A study of PAMP-INDUCED SECRETED PEPTIDE LIKE 6 (PIPL6) in regulation of plant immunity

Abstract

Planter har utviklet et robust forsvarssystem mot en rekke organismer som kan forårsake sykdom hos planten. Planteimmunforsvaret består av både induserbare og generelt uttrykte forsvarsmekanismer. En av de induserbare mekanismene iverksettes når patogen- og skadeassosierte molekylære strukturer (PAMPs/DAMPs) gjenkjennes av sine respektive reseptorer (PRRs). Gjenkjenning av et slikt signal fører til en PAMP-indusert immunitet kalt PTI. PTI inkluderer vanligvis en rekke forandringer intracellulært og ekstracellulært som innstrømming av kalsiumioner, produksjon av reaktive oksygen arter (ROS), lukking av stomataåpninger, kalloseavsetning ved infeksjonsstedet, produksjon av antimikrobielle molekyler og plantehormoner og en omregulering av genuttrykk. Alle disse mekanismene bidrar til å hemme vekst av de patogene mikroorganismene som iverksatte immunresponsen. Omregulering av genuttrykk inkluderer gener som koder for små peptider som produseres og skilles ut i rommet utenfor cellemembranen. Disse peptidene kan fungere som signalmolekyler for nabocellene. Dette masterprosjektet har som mål å bidra til å undersøke rollen peptidet PIPL6 har i forsvarsmekanismen til planter og de molekylære mekanismene bak dette. Behandling av spirer med diverse PAMPs førte til førte til en rask og kortvarig økt transkripsjon av PIPL6. Denne økningen skyldes trolig aktivering av blant annet WRKY transkripsjonsfaktorer. Syntetisk PIPL6 peptid ble påført på spirer og denne behandlingen førte til økt genuttrykk av mange immunrelaterte gener. Blant de induserte genene var gener involvert i aktivering og hemming av plantehormonet jasmoninsyre (JA), gener involvert i produksjon av kallose og syntese av etylen (ET) og det antimikrobielle molekylet camalexin. PIPL6 bruker muligens RLK7 og/eller SRR1 som reseptor(er) for videre signalisering. En slik signalisering inkluderer sannsynligvis intracellulær aktivering og transkripsjon av WRKY og andre transkripsjonsfaktorer. «Knock-out» og overuttrykk av PIPL6 fører muligens til bedre vekst av den biotopiske bakterien Pseudomonas syringae. Dette kan være et resultat av forstyrrelse av en finjustert reguleringsmekanisme av plantens immunforsvar mot denne spesifikke mikroorganismen. «Knock-out» av PIPL6 førte også til lavere resistens mot infeksjon av den nekrotrofe soppen Botrytis cinerea, samt redusert eller fraværende indusert camalexin og JA i respons til infeksjonen. Overuttrykk av PIPL6 viste seg å føre til økt vekstinhibering og større ROS produksjon i respons til flg22 sammenliknet med villtype. Dette tyder på en forhøyet immunrespons og at overuttrykk av PIPL6 muligens kan gi mer motstandsdyktighet mot B. cinerea. Resultatene fra dette masterprosjektet tyder på at PIPL6 kan spille en viktig rolle i immunforsvaret til planter. Økt kunnskap om PIPL6 og andre signalpeptider kan muligens brukes i fremtidige formål for å øke sykdomsresistens hos planter.

As sessile organisms, plants have evolved defence mechanisms against a variety of pathogens. The plant immune system consists of constitutively expressed outer barriers and inducible defence mechanisms. One of the inducible defence mechanisms include recognition of pathogen- and damage-associated molecular patterns (PAMPs/DAMPs) by pattern-recognition receptors (PRRs). Perception of such a signal lead to pattern- triggered immunity (PTI) that normally includes a calcium influx, production of reactive oxygen species (ROS), stomatal enclosure, callose deposition, production of antimicrobial compounds and phytohormones as well as transcriptional reprogramming to inhibit growth of the pathogen. Transcriptional reprogramming include genes for small secreted post-translationally modified peptides that works as signalling agents in cell-to-cell communication. This project aims to contribute to the investigation of PIPL6 in regulation of plant immunity and the molecular mechanisms behind it. Expression of PIPL6 was induced upon receptor recognition of plant elicitors, possibly by activated WRKY transcription factors. Treatment with synthetic PIPL6 peptide induced transcriptional reprogramming of many immune related genes that are involved in induction and repression of jasmonic acid, genes involved in production of callose and camalexin and ethylene (ET) biosynthesis. The perception of PIPL6 downstream signalling is likely to be mediated by the receptors RLK7 and/or SRR1. Transcriptional reprogramming probably involve transcription and activation of WRKY and other transcription factors. Both Knock- out and overexpression of PIPL6 possibly led to higher susceptibility of the hemi- biotrophic pathogen Pseudomonas syringae. This might be a result of disruption of the carefully regulated fine-tuned response. Knock-out of PIPL6 lead to higher susceptibility to the necrotrophic pathogen Botrytis cinerea compared to wild-type as well reduced or absent induction of camalexin and jasmonic acid. PIPL6 overexpression lines showed enhanced growth inhibition as well as an increased ROS production in response to flg22 comparted to wild-type. PIPL6 overexpression lines might be more resistant to B. cinerea, possibly by a heightened immune response. Altogether, the above mentioned results are a strong indicator that PIPL6 may play an important role in plant immunity. Increased knowledge about this peptide as well other plant signalling peptides could be important for future applications to enhance disease resistance in plants.