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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-24987
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2005/2498/


Sequence Variability of Cucumber Mosaic Virus (CMV) and its Effects on CMV-Resistance of Capsicum sp.

Sequenzvariabilität des Cucumber Mosaic Virus (CMV) und ihr Effekt auf die Resistenz von Capsicum sp.

Zhang, Deyong

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Cucumber mosaic virus , Capsicum , Sequenzvariabilität , Resistenz
Freie Schlagwörter (Englisch): Cucumber mosaic virus , Capsicum , sequence variability , resistance
Basisklassifikation: 48.54
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Pflanzen (Botanik)
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Adam, Günter (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 27.05.2005
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum: 08.06.2005
Kurzfassung auf Englisch: Cucumber mosaic virus (CMV) is an economically important pathogen on chili in Asia. Due to the lack of commercially available resistant lines and a lack of epidemiological knowledge about the CMV population in Asia, the disease is difficult to manage. To improve this situation 38 CMV isolates originated from Asia, Europe and USA have been characterized and plant lines, originated from a worldwide germplasm collection of the AVRDC (Asian Vegetable Research and Development Centre, Taiwan), have been screened for resistance with those isolates.
The characterization of those isolates were carried out by symptomatology, serology, RT-PCR-RFLP, microarray and phylogenetic analysis using coat protein (CP), movement protein (MP) and the gene silencing suppressor genes (2b). The phylogenetic analyses with a large number of CP, MP or 2b sequences confirmed the previous classification of CMV isolates into serotypes I and II as well as subgroups Ia, Ib. However, the Asian isolates distributed into several subgroups within subgroup Ib with high bootstrap support. Serology and RT-PCR-RFLP could differentiate the serotypes I and II, a further differentiation into the subgroups Ia and Ib was best possible with the microarray technique. This technique was based on probes derived from variable parts of the CP gene. The results of the microarrays showed a clear differentiation of subgroups Ia, Ib and serotype II with oligonucleotide probes for the first time.
Symptomatology studies revealed four phenotypes on N. glutinosa and three phenotypes on four resistant chili lines PBC370, PBC549, PBC459 and VC246. However, it was almost not possible to establish a relationship of isolates between sequences and symptoms. The elementary resistance mechanism of two of those chili lines was investigated by grafting and reciprocal crosses and due to these results possible mechanisms of two resistant lines could be proposed. Line PBC370 may have recessive, partially dominant, or polygenic recessive inheritance, whereas the resistance gene involved in line VC246 is probably dominant. Therefore, VC246 may be a new, hopefully, true resistant line that can be used for breeding programs. Although the chili lines were resistant to most of the isolates, some of the isolates were able to overcome this resistance and caused severe symptoms. A reassortment system for mapping of the genetic traits of the CMV genome was established and used to clarify the determinants of chili resistance breaking by these isolates. The result revealed that RNA 2 of isolate AN was responsible for resistance breaking on line VC246. Further studies with reverse genetics confirmed this result and showed that a 1100 bp cassette of the 2a/2b overlapping region was responsible for resistance breaking. On the basis of a comparison of the 2b gene of resistance breaking and non resistance breaking isolates, two single amino acids changes were selected to examine which might be responsible for this process. However, the results indicated that none of either amino acid is solely involved in resistance breaking of chili, but interestingly changed the symptoms on tobacco.
Moreover, the influence of the interaction and/or compatibility among CMV genome segments to the biological behaviour on tobacco and chili was investigated with a set of six biologically distinct isolates. These results indicated that interaction and/or compatibility among genome segments play an important role in the process of plant-virus interaction so that it was concluded that results of genetic mapping of determinants of CMV should be cautiously explained.
Taken together, the characterization of the population structure of CMV in Asia, the development of a detection method for the differentiation of serotypes and subgroups and the knowledge of the genetic background of some resistant chili lines as well as the biological properties of some resistance breaking isolates may give a basis to improve the Asian chili production in the future.
Kurzfassung auf Deutsch: Cucumber mosaic virus ist ein wichtiger Krankheitserreger für Chili in Asien. Die Krankheit ist schwierig zu bekämpfen, da keine resistenten Linien zur Verfügung stehen und wenig Wissen über die Populationen in Asien vorhanden ist. Um diese Situation zu verbessern, wurden 38 Isolate aus Asien, Europa und USA charakterisiert. Darüber hinaus wurden Pflanzenlinien die von einer Sammlung des Asian Vegetable Research and Development Center (Taiwan) auf Resistenz mit diesen Isolaten getestet.
Die Isolate wurden hinsichtlich der Symptomatologie, Serologie, RT-PCR-RFLP, Mikro-Array und phylogenetischer Abstammung auf Basis des Hüllproteingenes, des Zell-zu-Zell Transportproteingenes and des Genes, welches für die pflanzeneigene Pathogenabwehr verantwortlich ist, untersucht. Die bisherige Klassifikation in Serotypen I und II bzw. Serogruppen Ia und Ib wurde durch die Analyse einer großen Anzahl von Sequenzen der oben genannten Gene bestätigt. Allerdings konnten die asiatischen Isolate innerhalb der Subgruppe Ib mit einer hohen statistischen Qualität in mehrere Subgruppen eingeteilt werden. Mit Hilfe der Serologie und RT-PCR-RFLP konnten die Serotypen I und II differenziert werden, eine weitere Differenzierung in die Subgruppen Ia und Ib war nur mit Hilfe der Mikro-Array Technologie möglich. Letztere Methode basierte auf kurzen Oligonukleotiden, die von variablen Sequenzabschnitten des Hüllproteingenes abgeleitet wurden. Damit konnte zum ersten Mal mit kurzen Oligonukleotiden die Subgruppen Ia, Ib und II detektiert werden.
Symptomstudien zeigten vier Phänotypen auf Nicotiana glutinosa und drei Phänotypen auf den
vier verschiedenen Chili-Linien PBC370, PBC549, PBC459 und VC246. Allerdings konnte keine Korrelation zwischen Phänotyp und Sequenz hergestellt werden.
Die Resistenzmechanismen von zwei Linien wurde mit Pfropfung und reziproken Rückkreuzungen untersucht. Auf der Basis dieser Ergebnisse konnten mögliche Resistenzmechanismen vorgeschlagen werden. Linie PBC370 zeigte eine rezessive, teilweise dominante oder rezessive polygenetische Vererbung, während das Resistenzgen der Linie VC246 wahrscheinlich dominant ist. Deswegen ist Linie VC246 ein Hoffnungsträger, die für zukünftige Züchtungsprogramme eingesetzt werden kann. Obwohl diese beiden Linien gegen viele Isolate resistent waren, konnten einige Isolate die Resistenz brechen und verursachten starke Symptome auf Capsicum. Ein System, was die Neukombination von Genomsegmenten ermöglicht, wurden etabliert, um die genetische Determinante der Resistenzbrechung zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigten, dass die RNA 2 des Isolates AN für die Resistenzbrechung der Linie VC246 verantwortlich war. Weitere Untersuchungen mit Hilfe der reversen Genetik bestätigten dieses Ergebnis. Die verantwortliche Region konnte auf eine Region mit einer Größe von etwa 1100 bp der überlappenden 2a/2b Gene eingegrenzt werden. Auf Basis des Sequenzvergleiches der 2b Proteine von resistenzbrechenden sowie nichtresistenzbrechenden Isolaten wurden zwei interessante Aminosäureaustausche gefunden. Diese beiden Mutationen waren allerdings nicht für die Resistenzbrechung verantwortlich. Bei Rückmutationen wurden zwar Symptome von verschiedenen Tabakarten verändert, jedoch ergab sich keine Korrelation mit der Symptomatologie auf Capsicum.
Darüber hinaus wurde der Einfluss der Interaktion und/oder Kompatibilität von verschiedenen Genomsegmenten des CMV auf die Symptomatologie von sechs biologisch verschiedenen Isolaten untersucht. Die Ergebnisse zeigten klar, dass die Interaktion und/oder Kompatibilität der Genomsegmente eine große Rolle im Prozess der Pflanze-Virus Interaktion spielt, so dass geschlossen werden konnte, dass das Kartieren von Determinanten vorsichtig interpretiert werden sollte.
Insgesamt konnte sowohl durch die Charakterisierung der Viruspopulationen des CMV in Asien, durch die Entwicklung von Detektionsmethoden der verschiedenen Serotypen und Subgruppen und Kenntnisse des genetischen Hintergrundes einiger Capsicum-Linien als auch von biologischen Eigenschaften der resistenzbrechenden Isolate eine Grundlage geschaffen werden, die den Anbau von Capsicum in Asien in Zukunft verbessern könnte.

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