The importance of plant-derived lipids for arbuscular mycorrhiza symbiosis and other plant-microbe interactions

Keymer, Andreas Marius (2019): The importance of plant-derived lipids for arbuscular mycorrhiza symbiosis and other plant-microbe interactions. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie

Abstract

Ever since their origin, plants have been associated with diverse microorganisms, above as well as below ground. Particularly widespread and therefore prominent is the plant interaction with arbuscular mycorrhiza fungi (AMF). Arbuscular mycorrhiza (AM) is an ancient mutualistic symbiosis between most land plants and obligate biotrophic fungi of the Glomeromycotina. The key feature of this plant-microbe association is the reciprocal nutrient transfer between both organisms. Nutrient exchange in AM symbiosis (AMS) has been studied already for decades and mineral nutrients such as phosphate, ammonia and sulfate were identified as important commodities transferred from the fungus to the plant. Vice versa, hexoses have been found to be translocated from the plant to the fungus as reward. This nutrient swap has great impact on health, physiology and overall performance of the host plant. It also has effects at a much larger scale on global carbon cycles and the sustainment of complex ecosystems such as tropical rainforests. AMF colonize plant roots via an intraradical hyphal network and insert arbuscules, which are highly branched tree-shaped structures, in single inner cortical root cells. The arbuscule and its host cell represent the main interface of this association and thereby the core element, at which nutrient transfer takes place. The host plant is in control of AM root colonization by the fungus, as a range of plant mutants is available, which perturb root colonization. A number of plant AM mutants, exhibit a similar AM- phenotype, with a reduced percentage of root length colonization and a perturbed arbuscule morphology, which is characterized by small, less branched and stunted arbuscules. The two Lotus japonicus mutants dis (disorganized arbuscule) and ram2 (reduced arbuscular mycorrhiza), which are impaired in the establishment of AMS, have been identified via a forward genetics screen. Both, DIS and RAM2, are AM-specific fatty acid/lipid biosynthesis genes in Lotus japonicus. DIS encodes a b-keto-acyl ACP synthase I (KASI), crucial for fatty acid chain elongation from C4 to C16 and RAM2 encodes glycerol-3-phosphate acyltransferase 6 (GPAT6), which acts bifunctionally by catalyzing dephosphorylation as well as acylation of glycerol-3-phosphate (G3P) in order to produce sn2-monoacylglycerol (MAG). In this doctoral thesis, both genes were characterized in-depth, concerning function, expression and requirement for the symbiosis. I was able to show that AM-competent host plants harbor an AM-specific lipid biosynthesis machinery in their genomes, which is used to produce lipids exclusively in arbuscule containing cells. Strikingly, I revealed that these lipids are transported to the obligate biotrophic fungus for its nourishment. Via application of 13C6-glucose to colonized plants, followed by isotopolog profiling, I could show that plant-derived lipids are transported to the fungus in colonized L. japonicus wildtype plants. In contrast, lipid transport was perturbed in both lipid biosynthesis mutants, dis and ram2, and in the AM-specific ABCG half-transporter mutant str (stunted arbuscules). In addition, I collaborated with the laboratory of Peter Dörmann (University of Bonn) in the characterization of the AM-specific fatty acid thioesterase FatM, which terminates fatty acid chain elongation by hydrolysis of the acyl-ACP thioester bond. FatM is a further essential component of the AM-exclusive fatty acid/lipid biosynthesis machinery in arbuscocytes (arbuscule-containing cells) and acts in the same pathway with DIS and RAM2. Literature suggests that the dependence on host lipids or lipid parasitism occur in a range of interorganismic associations with participants from almost all kingdoms. By investigating the influence of plant-derived lipids on the detrimental association of Arabidopsis thaliana with the oomycete Hyaloperonospora arabidopsidis (Hpa), this thesis goes beyond the boundaries of AM research. Hpa-infected Arabidopsis thaliana mutants, which carry their mutations in KASI and GPAT6, that are homologs of DIS and RAM2, exhibited severe impairment in colonization by and development of Hpa. These results hint towards a prominent role of plant-derived lipids also for oomycete- plant interactions.

Abstract

Seit ihrem Ursprung sind Pflanzen mit unterschiedlichen Mikroorganismen sowohl über- als auch unterirdisch vergesellschaftet. Weit verbreitet und daher von besonderer Bedeutung ist die Interaktion von Pflanzen mit arbuskulären Mykorrhiza Pilzen (AMP). Die arbuskuläre Mykorrhiza (AM) ist eine evolutionär alte Symbiose, die zwischen den meisten Landpflanzen und den obligat-biotrophen Pilzen der Glomeromycotina ausgebildet wird. Das Hauptmerkmal dieser Pflanzen-Mikrobien- Interaktion ist der reziproke Nährstoffaustausch zwischen beiden Organismen. Der Nährstoffaustausch der arbuskulären Mykorrhiza Symbiose (AMS) wird bereits seit Jahrzenten erforscht. Hierbei wurden mineralische Nährstoffe wie Phosphat, Ammonium und Sulfat als wichtige Stoffe identifiziert, die von dem Pilz zur Pflanze transportiert werden. Als Gegenleistung wurden Hexosen ausfindig gemacht, die in entgegengesetzter Richtung von der Pflanze zum Pilz transportiert werden. Dieser Nährstoffhandel wirkt sich erheblich auf die Gesundheit, die Physiologie und das allgemeine Leistungsvermögen der Wirtspflanze aus. In einem jedoch noch größeren Ausmaß beeinflusst dieser Nährstoffaustausch außerdem globale Kohlenstoffkreisläufe und die Erhaltung komplexer Ökosysteme, wie die der tropischen Regenwälder. AMP besiedeln die Pflanzenwurzeln durch ein intraradikales Hyphennetzwerk und kolonisieren zusätzlich einzelne Wurzelzellen des inneren Kortex durch die Ausbildung von Arbuskeln (hoch-verzweigte baumförmige Strukturen). Die Schnittstelle zwischen Arbuskel und Wirtszelle stellt das Kernstück der Symbiose dar, da an dieser der Nährstoffaustausch stattfindet. Wie die Existenz einer Reihe von Pflanzenmutanten, welche die Wurzelkolonisierung beeinträchtigen, zeigt, kontrolliert die Wirtspflanze die Kolonisierung durch den Pilz. Einige pflanzliche AM-Mutanten weisen einen ähnlichen AM-Phänotypen auf, der durch eine reduzierte Wurzelkolonisierungsrate und eine gestörte Arbuskelmorphologie (kleine, gering-verzweigte und verkümmerte Arbuskeln) gekennzeichnet ist. In einem klassisch-genetischen Screen wurden die beiden Lotus japonicus Mutanten dis (disorganized arbuscules) und ram2 (reduced arbuscular mycorrhiza), welche in der Ausbildung der AMS beeinträchtigt sind, identifiziert. DIS und RAM2 sind beides AM-spezifische Fettsäure- bzw. Lipidbiosynthese Gene in Lotus japonicus. DIS kodiert für eine b-Keto-Acyl-ACP Synthase I (KASI), die für die Verlängerung der Fettsäurekette von C4 nach C16 entscheidend ist, während RAM2 für eine Glycerol- 3-Phosphat Acyltransferase 6 (GPAT6) kodiert, die durch die Katalyse der Dephosphorylierung und der Acylierung von Glycerol-3-phosphat (G3P) bifunktional wirkt, um sn2-Monoacylglycerol (MAG) herzustellen. In dieser Doktorarbeit wurden beide Gene betreffend Funktion, Expression und deren Notwendigkeit für die Symbiose charakterisiert. Es konnte herausgefunden werden, dass AM-kompetente Wirtspflanzen einen AM-spezifischen Lipidbiosyntheseweg besitzen, der genutzt wird, um Lipide ausschließlich in Arbuskel-enthaltenden Zellen zu produzieren. Außerdem konnte gezeigt werden, dass diese Lipide zum obligat- biotrophen Pilz für dessen Ernährung transportiert werden. Durch die Auswertung der Isotopolog-Profile nach der Zugabe von 13C6-Glukose zu kolonisierten Pflanzen, konnte gezeigt werden, dass in kolonisierten Lotus japonicus Wildtyp-Pflanzen pflanzliche Lipide zum Pilz transportiert werden. Im Gegensatz dazu war der Lipidtransport in beiden Lipidbiosynthesemutanten, dis und ram2, sowie in der AM- spezifischen ABCG Halb-Transporter Mutante str (stunted arbeuscues) beeinträchtigt. Drüber hinaus wurde in Kollaboration mit dem Labor von Peter Dörmann (Universität Bonn) die AM-spezifische Fettsäure-Thioesterase FatM charakterisiert, welche die Verlängerung der Fettsäurenkette mittels Hydrolyse der Acyl-ACP Thioester Bindung beendet. FatM ist eine weitere essentielle Komponente des AM-exklusiven Fettsäure- /Lipidbiosyntheseweges in Arbuskozyten (Arbuskel-enthaltende Zellen) und agiert im selben Signalweg wie DIS und RAM2. Die Fachliteratur legt nahe, dass die Abhängigkeit von Wirtslipiden bzw. das Phänomen des Lipid-Parasitismus für eine Reihe von interorganismischen Vereinigungen mit Vertretern aus fast allen Reichen bekannt ist. Durch die Erforschung des Einflusses pflanzlich-abstammender Lipide auf die schädliche Interaktion von Arabidopsis thaliana mit dem Oomyceten Hyaloperonospora arabidopsidis (Hpa), geht diese Arbeit über die AM-Forschung hinaus. Hpa-infizierte Arabidopsis Mutanten, die Mutationen in KASI bzw. GPAT6 (Homologe von DIS bzw. RAM2) tragen, wiesen eine starke Beeinträchtigung sowohl in der Kolonisierung als auch in der Entwicklung von Hpa auf. Diese Ergebnisse deuten auf eine bedeutende Rolle pflanzlicher Lipide auch für Oomyceten-Pflanzen-Interaktionen hin.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: plant-microbe interaction, plant, Arbuscular mycorrhiza, symbiosis, genetics
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
• Fakultäten: Fakultät für Biologie
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 10. April 2019
• 1. Bericht­erstatter:in: Gutjahr, Caroline