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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-69388
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/6938/


Charakterisierung des Metaboloms sowie des GABA-shunts während der Weizenblüteninfektion von Fusarium graminearum

Bönnighausen, Jakob

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SWD-Schlagwörter: Biologie , Phytopathologie , Metabolom , Aminobuttersäure <gamma-> , Fusarium graminearum , Mitochondrium
Basisklassifikation: 48.54
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Schäfer, Wilhelm (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 18.07.2014
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 22.08.2014
Kurzfassung auf Deutsch: Während der Infektion des Rachisknotens von Weizen mit dem Fusarium graminearum Wildtyp-Stamm kommt es zur einer Induktion der DON-Bildung. Ebenso werden Stress-Metabolite, wie Putrescin und GABA, vermehrt gebildet. Apoptose-Metabolite und durch erhöhte ROS-Produktion geschädigte Metabolite liegen akkumuliert vor. Der Phenylpropanoid-Stoffwechsel ist induziert. Es kommt zu einer verringerten Syringyl-Lignin-Synthese. Ebenfalls werden Cellulose und die Hemicellulosen der pflanzlichen Zellwand vermehrt abgebaut. Die vermehrten Katabolismus-Prozesse führen zu einem Anstieg der Glycolyse und Metaboliten des TCA-Zyklus. Metaboliten der Pflanzenverteidigung, wie Dihydrojasmonsäure oder Riboflavin, werden während der Wildtyp-Infektion weniger gebildet. Die Unterdrückung der Jasmonat-Synthese könnte aktiv durch einen Anstieg der Ursolsäure von Pilzseite stattfinden. Die Aktivierung des Sesquiterpen-Stoffwechsel führt zu einer vermehrten Synthese der Gibbereline, die möglicherweise durch Induktion der α-Amylasen die Metabolisierung der Stärke einleiten. Neben Stärke werden die Triacylgylceride vermehrt metabolisiert. Die Konzentration der Zuckerverbindungen fällt ab. Der Energiebedarf steigt während der Infektion mit dem Wildtyp an und führt zu einer einem vermehrten Butanoat- und Aminosäure-Katabolismus. Während der Infektion mit dem Δtri5-Stamm kommt es nicht zu einem Absinken der Speicherstoffe, Zucker und Aminosäuren. Da kein DON synthetisiert wird, kommt es nicht zur Apoptose. Die Konzentration der ROS detoxifizierenden Metabolite steigt an und es kommt nicht zu oxidativen Stressschäden. Es sind keine Ab- und Umbauprozesse des Syringyl-Lignin sowie der Cellulose feststellbar. Zeitgleich kommt es zu einer vermehrten Synthese von Jasmonat und Riboflavin als Signalmoleküle der Pflanzenverteidigung. Die stärkere Induktion der Pflanzenverteidigung könnte daher durch beide Metabolite vermittelt werden. GABA als Metabolit kann als Kohlenstoff und Stickstoffquelle eingesetzt werden und steht in Verbindung mit dem TCA-Zyklus.
Wird der GABA-shunt in F. graminearum ausgeschaltet, können sowohl die Polyamine als auch GABA nicht mehr verstoffwechselt werden. Dies resultiert in einer erhöhten Sensitivität gegenüber ROS-Stress und in einer geringeren Aktivität des TCA-Zyklus. In den ΔΔgta1;2-Mutanten wird die DON-Synthese in vitro sowohl mit Putrescin-Dihydrochlorid als auch mit GABA nicht mehr aktiviert. Durch Zugabe von (NH)4SO4 kann die DON-Synthese in den ΔΔgta1;2-Mutanten in vitro hingegen induziert werden. Es führen daher in vitro zumindest zwei unabhängige Wege zur DON-Induktion. Während der Pflanzeninfektion ist die DON-Produktion der ΔΔgta1;2-Mutanten nicht signifikant verändert und nicht durch den Putrescin-GABA-Metabolismus induzierbar. Die statistisch signifikante Reduktion der Virulenz der ΔΔgta1;2-Mutanten beruht daher auf anderen Ursachen. Die ΔΔgta1;2-Mutanten akkumulieren GABA intrazellulär. Konzentrationsabhängig sinkt die Leistung der Atmungskette mit zunehmenden GABA-Konzentrationen.
Die Energieproduktion ist in den ΔΔgta1;2-Mutanten nach längerer GABA-Einwirkung zusammengebrochen. Insgesamt bewirkt daher die Aufnahme von GABA in den ΔΔgta1;2-Mutanten einen Einbruch in der mitochondrialen Sauerstoffaufnahme. Die additiv auftretenden Effekte auf die mitochondriale Atmungskette verringern die Energiebereitstellung der ΔΔgta1;2-Mutanten während der Pflanzeninfektion, sodass in der Folge die Virulenz eingeschränkt ist.
Kurzfassung auf Englisch: Fusarium graminearum is a necrotrophic fungus pathogenic to all cereals that threatens food and feed production worldwide. It reduces the yield quantitatively by interfering with kernel development and qualitatively by poisoning the remaining kernels with mycotoxins.
In wheat, it infects the flowers of a spikelet and colonizes the entire head by growing through the rachis node at the bottom of each spikelet. Without the mycotoxin deoxynivalenol (DON) the pathogen cannot break through the rachis node and wheat becomes resistant to colonization. The metabolic profile of infected and not infected rachis nodes were compared. Infection leads to extensive rearrangements of the primary metabolism. Major changes occur in sugar-, fatty acid-, and nitrogen metabolism, including an enhanced GABA shunt. Genetic disruption of the fungal GABA shunt renders the pathogen unable to utilize GABA and the polyamine putrescine and affects DON biosynthesis in vitro but not in planta. Surprisingly, the mutants produced wild type levels of DON in culture with (NH4)2SO4, indicating at least two different pathways of DON induction.
During vegetative growth, the mutants showed greater sensitivity against hydrogen peroxide mediated stress and strong reduction in sexual reproduction.
Addition of GABA in culture resulted in its rapid turnover and increased mitochondrial steady state oxygen consumption of the wild type. Also, GABA metabolism in F. graminearum is partially regulated by the global nitrogen regulator AreA.
Disrupting GABA metabolism caused strongly elevated mycelial GABA concentrations, downregulation of two TCA enzymes, a disturbed potential gradient in the mitochondrial membrane and lower mitochondrial oxygen consumption. During fungal plant infection, GABA concentrations are highly upregulated. For the wild type―plant-derived GABA represents a favorable nutritional target during infection, whereas the mutants accumulate GABA resulting in decreased energy production. Consequently, the GABA mutants are strongly reduced in virulence but, because of their DON production, are able to cross the rachis node.

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