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Charakterisierung und Nutzung von bakteriellen Quorum Sensing Molekülen für die Weiterentwicklung eines umweltgerechten Pflanzenbaus

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Kogel, Karl-Heinz; Schikora, Adam and Imani, Jafargholi (2015) Charakterisierung und Nutzung von bakteriellen Quorum Sensing Molekülen für die Weiterentwicklung eines umweltgerechten Pflanzenbaus. [Characterisation and Use of Bacterial Quorum Sensing Molecules for the Development of Environmentally Sound Plant Production Measures.] Justus-Liebig-Universität Gießen, Institut für Phytopathologie, D-Gießen .

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Summary

Die Aktivierung und Stärkung des pflanzlichen Immunsystems ist eine vielversprechende Alternative im Pflanzenschutz. Das Konzept umfasst eine Sensibilisierung (priming) der Kulturpflanzen gegenüber Pathogenen, die einen hohen Ernteertrag auch unter Pathogendruck gewährleistet. Bakterielle quorum sensing Moleküle haben die Eigenschaft, Pflanzen zu sensibilisieren und sind deshalb eine mögliche Ergänzung zum Einsatz von Pflanzenschutzmaßnahmen. Das Ziel dieses Vorhabens war es, Immunantwort und physiologische Veränderungen in wichtigen Kulturpflanzen, wie Gerste, Weizen, Tomaten und Luzerne nach einer Sensibilisierung mit QS Molekülen zu analysieren. Eingesetzt wurden einerseits langkettige Acyl-Homoserinlaktone, wie das oxo-C14-HSL, und andererseits nützliche, nicht-pathogene oxo-C14-HSL-produzierende Rhizobakterium, wie Sinorhizobium meliloti und Rhizobium radiobacter F4 (RrF4), das aus dem nützlichen Pilz Piriformospora indica isoliert wurde. Wir konnten eine oxo-C14-HSL-induzierte Resistenz von Arabidopsis Pflanzen demonstrieren und zeigen, dass diese Resistenzinduktion auf der Basis eines Salicylsäure/Oxylipin-abhängigen systemischen Signal generiert wird. Darüber hinaus bewirkt eine oxo-C14-HSL Behandlung bei Gerste und Weizen eine verstärkte Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies und eine transkriptionelle Regulation verteidigungsrelevanter Genen. Die oxo-C14-HSL-induzierte Sensibilisierung bewirkt eine Verstärkung der Pflanzenzellwand und eine Abwehrreaktion in den Stomata, wodurch ein Eindringen von bakteriellen und pilzlichen Krankheitserregern und deren Proliferation in der Pflanze stark gehemmt werden. Zudem wurde überraschenderweise gefunden, dass oxo-C14-HSL auch die Vermehrung des humanpathogenen Erregers Salmonella enterica serovar Thyphimurium in Arabidopsis verhindert. Dieser Effekt war starker ausgeprägt bei direkter Behandlung mit oxo-C14-HSL, während eine Behandlung mit oxo-C14-HSL-produzierendem S. meliloti keine gute Wirkung gegen Salmonellen zeigte. Unsere Ergebnisse verdeutlichen, das bakterielle quorum sensing Moleküle eine positive Wirkung auf Pflanzen haben. Die hier beschriebene Acyl-Homoserinlakton-induzierte Resistenz (AIR) ist ein neues Modell zur pflanzlichen „Sensibilisierung“ für schnellere und stärkere Abwehrreaktionen auf künftige Stresssituationen und bahnt somit einen vielversprechenden Weg im modernen Pflanzenschutz.

Summary translation

The activation and strengthening of the plant's immune system is a promising alternative in crop protection. The concept includes a sensitization (priming) of the crops against pathogens, which ensures a high crop yield under high pressure from pathogens. Bacterial quorum sensing molecules have the ability to improve plant growth and development and therefore provide a possible complement to the use of plant protection measures. The aim of this project was to analyze immune response and physiological changes in important crops such as barley, wheat, tomatoes and alfalfa after sensitization with QS molecules. In this project we assessed the activity of long-chain acyl-homoserine lactones, such as the oxo-C14-HSL, along with non-pathogenic oxo-C14-HSL-producing rhizobacteria such as Sinorhizobium meliloti and Rhizobium radiobacter F4 (RrF4, once isolated from the beneficial fungus Piriformospora indica). We were able to demonstrate oxo-C14-HSL-induced resistance of Arabidopsis plants and that this induction was mediated by salicylic acid / oxylipin-dependent systemic signaling. In addition, an oxo-C14-HSL treatment on barley and wheat caused an increased production of reactive oxygen species and a transcriptional regulation of defense-related genes. The oxo-C14-HSL-induced sensitization effect resulted in a strengthening the plant cell wall and a defensive reaction in the stomata, thereby penetration of bacterial and fungal pathogens and their proliferation in the plant are strongly inhibited. In addition, it was surprisingly found that oxo-C14-HSL also prevents the propagation of the human pathogen Salmonella enterica serovar typhimurium in Arabidopsis. This effect was pronounced in direct treatments with oxo-C14-HSL, while treatment with oxo-C14-HSL-producing S. meliloti did not exhibit good activity against Salmonella. Our results illustrate, that bacterial quorum sensing molecules have a positive effect on plants. The acyl-homoserine lactone-induced resistance (AIR) described herein is a new model for the plant "sensitization" that protects plants by faster and stronger defensive reactions to future stress and thus paves a promising way in modern plant protection.

EPrint Type:Report
Keywords:BÖL, BOEL, BÖLN, BOELN, FKZ 11NA033, Quorum Sensing Moleküle, Quorum Sensing Molecules
Subjects: Crop husbandry > Production systems > Cereals, pulses and oilseeds
Crop husbandry > Crop health, quality, protection
Research affiliation: Germany > Federal Organic Farming Scheme - BOELN > Plants > Pflanzenschutz
Germany > University of Gießen > Institute of Phytopathology and Applied Entomology (IPAZ)
Related Links:http://www.bundesprogramm-oekolandbau.de, https://orgprints.org/cgi/search/advanced?addtitle%2Ftitle=&keywords=11NA033&projects=BOEL&_order=bypublication&_action_search=Suchen
Deposited By: Imani, Dr. Jafargholi
ID Code:29993
Deposited On:12 Apr 2016 08:14
Last Modified:12 Apr 2016 08:14
Document Language:German/Deutsch
Status:Unpublished
Refereed:Not peer-reviewed
Additional Publishing Information:Gefördert durch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages im Rahmen des Bundesprogramms Ökologischer Landbau und andere Formen nachhaltiger Landwirtschaft.
Projektleitung: Prof. Dr. Karl-Heinz Kogel, Justus-Liebig-Universität Gießen, Institut für Phytopathologie

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