Characterization of transcription factors important for fatty acid and lipid metabolism in the phytopathogen Fusarium graminearum

Abstract

The importance of secreted lipases of F. graminearum was found in previous studies in our lab. However, the mechanism by which the lipases function as virulence factors is not yet known. To better understand the role of lipases, this study focused on the identification of transcription factors which are regulators of lipases expression. In the current study, eight proteins which are putative transcriptional regulators were identified and characterized in the fungus F. graminearum. The role of the 8 putative transcription factors in regulation of lipase expression was characterized by gene deletion. Among the putative transcription factors, it was discovered that FAR1 and FAR2 are regulators of fatty acid metabolism. It was found that these two transcription factors control fatty acid catabolism by regulating expression of several enzymes, e.g. peroxisomal proteins. Additionally, these transcription factors participate in the regulation of expression of secreted lipases. In this study, an essential lipase regulator named LR1 was discovered. It was demonstrated that LR1 regulates expression of several secreted enzymes such as lipases and cutinases. Moreover, it was found that FAR1 and FAR2 participate in virulence mechanisms of the fungus. However, they are not the essential regulators of virulence factors. Interestingly, it was shown that LR1 regulates expression of FGL1 and other secreted enzymes in vitro and in planta. However, deletion of this regulator did not reduce virulence of the fungus. Since deletion of FGL1 has been shown to reduce the virulence of the fungus, it was concluded that indirect down-regulation of FGL1 is insufficient to decrease virulence. This underlines the complexity of regulation of virulence factors in Fusarium. Additionally, this study reported that butyrate is a strong inhibitor of secreted lipases, perhaps through inhibition of the Zn2Cys6 proteins in F. graminearum. This study provided evidence of a potential application of this short chain fatty acid in antifungal treatment of Fusarium diseases.

Sekretierte Lipase wurde in vorangegangenen Studien als Virulenzfaktor von F. graminearum identifiziert. Allerdings blieb der Funktionsmechanismus der Lipasen als Virulenzfaktoren bisher weitgehend ungeklärt. In dieser Arbeit lag der Fokus auf der Untersuchung von Transkriptionsfaktoren, die die Expression der pilzlichen Lipasen beeinflusen, um die Rolle der Lipasen weiter ausleuchten zu können. Als Lipase regulierende Transkriptionsfaktoren wurden 8 Proteine in F. graminearum identifiziert und charakterisiert. Die zugehörigen Gene wurden durch Null-Mutationen untersucht. Dabei wurde herausgefunden, daß die Transkriptionsfaktoren FAR1 und FAR2 als Regulatoren des Fettstoffwechsels fungieren. Es konnte festgestellt werden, daß diese beiden Transkriptionsfaktoren den Abbau von Fettsäuren durch die Regulation der Expression verschiedener Enzyme beinflussen z.B. von peroxisomalen Proteinen. Darüber hinaus sind diese Transkriptionsfaktoren an der Regulation der Expression von sekretierten Lipasen beteiligt. Im Laufe dieser Arbeit wurde auch ein entscheidender Lipase regulierender Faktor, LR1, identifiziert. Es konnte gezeigt werden, daß LR1 die Expression verschiedener sekretierter Enzyme wie Lipasen und Cutinasen reguliert. Außerdem wurden die Transkriptionsfaktoren FAR1 und FAR2 als Effektoren im Virulenzmechanismus von F. graminearum identifiziert. Allerdings sind diese Faktoren keine essentiellen Regulatoren der Virulenz. LR1 reguliert die Expression der Lipase FGL1 in vitro und in planta. Allerdings führte die Null- Mutationen dieses Faktors nicht zu einer Reduktion der Virulenz. Da aber die Deletion von FGL1 zu einer dramatischen Reduktion der Virulenz führt wie vorher beschrieben, kann vermutet werden, daß die indirekte Herunterregulation der Expression von FGL1 nicht ausreichend zur Verringerung der pilzlichen Virulenz ist. Diese Ergebnisse unterstreichen die Komplexität der Regulation von Virulenzfaktoren in F. graminearum. Zusätzlich wurde Butyrat, eine kurzkettige Fettsäure, als Inhibitor von sekretierten Lipasen identifiziert, wahrscheinlich verursacht durch die Hemmung von Zn2Cys6 Proteinen in F. graminearum. Butyrat könnte demnach eine Anwendung als Fungizid im Einsatz gegen Fusariosen finden.