Regulation of the Vitis vinifera PGIP1 gene encoding a polygalacturonase-inhibiting protein
Date
2004-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Plant-pathogen interactions have been intensively investigated in the last decade. This
major drive towards understanding the fundamental aspects involved in plant disease
resistance is propelled by the obvious agricultural and economical benefits that are
intrinsically linked to disease and stress resistant plants. It is, therefore, not surprising
that fundamental research in this area is not just restricted to model organisms, such as
Arabidopsis and tobacco, but also extends to more traditional crop plants, such as
maize, bean, soybean, apples, grapevine etc. In grapevine for instance, several genes
involved in disease resistance have been isolated. One of these genes, encoding for a
polygalacturonase inhibiting protein (PGIP), has been studied extensively. PGIPs are
cell wall bound, contain leucine rich repeats (LRR) and are found in all dicotyledonous
plants so far examined. In most cases, pgip genes occur in small multigene families
and expression is often tissue specific and developmentally regulated. Up-regulation of
PGIP-encoding genes typically occurs upon pathogen infection, treatment with elicitors,
salicylic acid (SA), jasmonic acid (JA), cold treatment and wounding. Differential
regulation and specificity have been shown to occur between members of the same
multigene family. Differential regulation even extends to the utilization of separate
pathways to induce pgip genes from the same family in response to a single stress
stimulus. PGIPs interact with cell wall macerating polygalacturonases (PGs) that are
secreted by pathogenic fungi during the infection process. The antifungal action of
PGIPs is thought to depend on a dual action. The physical interaction of PGIP with PGs
has an inhibitionary effect, resulting in (i) a slower fungal infection rate and (ii) the
prolonged existence of long chain oligogalacturonides (OGs). These oligosaccharides
are able to elicit a general plant defense response, enabling the plant to further retard or
curb the spread of infection.
The main objective of this study was to investigate the regulatory aspects
underlying PGIP expression in grapevine. Unlike most characterized PGIP encoding
genes from other dicotyledonous plant species, no evidence to support the existence of
a V. vinifera PGIP multigene family could be found from either genetic or biochemical
analyses. Recently, a genomic DNA fragment from Vitis vinifera cv Pinotage was pathogen interactions with regards to the fundamental processes underlying defense
gene regulation.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die ooglopende voordele wat, vanuit 'n landboukundige én ekonomiese oogpunt, uit siekte- en stresbestande plante spruit, het gedurende die laaste dekade aanleiding gegee tot die ontwikkeling van plantpatogeen-interaksies as "n baie belangrike studieveld. Dit was dus ook te verwagte dat fundamentele navorsing in hierdie area nie net beperk gebly het tot modelorganismes soos Arabidopsis en tabak (ook natuurlik van landboukundige belang) nie, maar ook na meer tradisionele landbougewasse soos mielies, boontjies, sojaboontjies, appels, druiwe, ens. oorgevloei het. Verskeie siekteweerstands-verwante gene is byvoorbeeld al vanuit wingerd geïsoleer. Een só "n geen wat vir "n poligalakturonase-inhiberende proteïen (PGIP) kodeer, vorm deel van hierdie groep gene. Die funksie en regulering van PGIP's is baie goed bestudeer. Hierdie proteïene word normaalweg in die selwande van die meeste dikotiele plante aangetref. Leusienryke herhalings is algemeen in PGIP's en hierdie tipe van herhalings is kenmerkend van proteïene betrokke by proteïen-proteïen-interaksies. Verder word pgip-gene gewoonlik in klein multigeenfamilies aangetref, waar in die meeste gevalle die uitdrukking weefselspesifiek en die regulering spesifiek ten opsigte van die ontwikkelingsfase is. Verskeie faktore kan tot die induksie van pgip-gene lei, soos onder andere patogeen-infeksie, elisitoor-, salisiensuur-, jasmoonsuur- en kouebehandeling, asook verwonding. Differensiële regulering word in baie gevalle tussen lede van dieselfde multigeenfamilie aangetref. Hierdie differensiële regulering kan selfs bemiddel word deur onafhanklike reguleringsweë in reaksie op dieselfde induksiestimulus. PGIP's is in staat om te reageer met poligalakturonases (PGs), wat selwande afbreek en wat gedurende die infeksieproses deur swamme of fungi afgeskei word. Die effek van hierdie interaksie is tweeledig: (i) Die fisiese interaksie tussen PGIP en PG moduleer die aktiwiteit van die PG deur die ensiemaksie te inhibeer, en (ii) PGinhibisie lei tot die verhoogde stabiliteit van langketting-oligogalakturonades, molekules wat daartoe in staat is om die weerstandsrespons van plante te ontlok. Die inhibisie van die patogeen-PG's, tesame met die geïnduseerde weerstandrespons, stel die plant dan in staat om verdere infeksie te vertraag of te verhoed. Die doel van hierdie studie was om die onderliggende aspekte van PGIPregulering in wingerd te bestudeer. In teenstelling met die meeste plantspesies waar pgip-gene in klein multigeenfamilies aangetref word, is daar nie 'n pgip-multigeenfamilie in wingerd nie. Veelvuldige kopieë van In enkele pgip-geen word egter in die wingerdgenoom aangetref. Daar is onlangs in ons laboratorium In genoom-DNAfragment vanaf Vitis vinifera cv Pinotage geïsoleer wat die oopleesraam en 5'-stroomopsekwense van In PGIP-enkoderende geen (Vvpgip1) bevat. In hierdie studie is die uitdrukkingspatroon van Vvpgip1 ten opsigte van weefselspesifisiteit, korrelontwikkelingsfase, asook die effek van verskeie omgewings en patogeenverwante stres-stimuli ontleed. Die regulatoriese meganismes van Vvpgip1 bevat spesifieke in planta-ontwikkelingsfaseseine wat verder deur spesifieke faktore, insluitende omgewings- en patogeenstres, gereguleer word. In lyn hiermee is mRNS-transkripte van Vvpgip1 tot wortel- en korrelweefsels beperk, terwyl die mRNS-vlakke ook tussen verskillende korrelontwikkelingsfases wissel. Kumulatiewe uitdrukking kon waargeneem word in veráison-korrels in reaksie op verwonding en osmotiese stres. Die weefselspesifieke uitdrukkingspatroon tipies van wingerd-PGIP is in blare opgehef in reaksie op Botrytis cinerea-infeksie, verwonding, osmotiese stres, ouksien (indoolasynsuur) en salisiensuur. PGIP-uitdrukking word ook onderdruk deur In staurosporien-sensitiewe proteïenkinase, wat In goeie aanduiding is van die betrokkenheid van proteïenfosforilasie in die seintransduksiekaskade wat tot PGIPuitdrukking aanleiding gee. Die geïnduseerde PGIP-uitdrukkingsprofiel in wingerdblare kan ook nageboots word in tabak wat met die Vvpgip1-geen en -promotor getransformeer is. PG-inhibisie-eksperimente met membraan-geassosieerde proteïenekstrakte van geïnduseerde wingerdblare het ook dieselfde profiel getoon as dié van PGIP wat deur die Vvpgip1-geen geënkodeer is. Die uitdrukkingsprofiel van PGIP in die transgeniese tabakplante het ook bewys dat die promotor van die Vvpgip1-geen vir die geïnduseerde PGIP-uitdrukkingsprofiel in wingerdblare verantwoordelik is. In silica-analise van die promotorarea dui op die teenwoordigheid van verskeie cis-werkende elemente. Die kern promotor en transkripsie-aanvangsgedeelte is gevolglik eksperimenteel bepaal. Verder het uitdrukkingseksperimente met promotorfragmente verskeie dele van die promotor geïdentifiseer wat by stimulis-geassosieerde uitdrukking betrokke is. Posisioneel is hierdie fragmente in goeie konteks met die voorspelde cis-werkende elemente en kan dus die basis vorm vir verdere studies oor Vvpgip-regulering. Met hierdie studie word die eerste data verskaf waar die regulering van PGIP deur omgewingsverwante faktore verbind kan word met onwikkelingspesifieke toestande in die plant. Verder verskaf die resultate verdere bewyse vir die rol van PGIP in plant-patogeen-interaksies en lewer spesifieke bydraes tot die onderliggende prosesse wat by die regulering van siekteweerstandverwante gene betrokke is.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die ooglopende voordele wat, vanuit 'n landboukundige én ekonomiese oogpunt, uit siekte- en stresbestande plante spruit, het gedurende die laaste dekade aanleiding gegee tot die ontwikkeling van plantpatogeen-interaksies as "n baie belangrike studieveld. Dit was dus ook te verwagte dat fundamentele navorsing in hierdie area nie net beperk gebly het tot modelorganismes soos Arabidopsis en tabak (ook natuurlik van landboukundige belang) nie, maar ook na meer tradisionele landbougewasse soos mielies, boontjies, sojaboontjies, appels, druiwe, ens. oorgevloei het. Verskeie siekteweerstands-verwante gene is byvoorbeeld al vanuit wingerd geïsoleer. Een só "n geen wat vir "n poligalakturonase-inhiberende proteïen (PGIP) kodeer, vorm deel van hierdie groep gene. Die funksie en regulering van PGIP's is baie goed bestudeer. Hierdie proteïene word normaalweg in die selwande van die meeste dikotiele plante aangetref. Leusienryke herhalings is algemeen in PGIP's en hierdie tipe van herhalings is kenmerkend van proteïene betrokke by proteïen-proteïen-interaksies. Verder word pgip-gene gewoonlik in klein multigeenfamilies aangetref, waar in die meeste gevalle die uitdrukking weefselspesifiek en die regulering spesifiek ten opsigte van die ontwikkelingsfase is. Verskeie faktore kan tot die induksie van pgip-gene lei, soos onder andere patogeen-infeksie, elisitoor-, salisiensuur-, jasmoonsuur- en kouebehandeling, asook verwonding. Differensiële regulering word in baie gevalle tussen lede van dieselfde multigeenfamilie aangetref. Hierdie differensiële regulering kan selfs bemiddel word deur onafhanklike reguleringsweë in reaksie op dieselfde induksiestimulus. PGIP's is in staat om te reageer met poligalakturonases (PGs), wat selwande afbreek en wat gedurende die infeksieproses deur swamme of fungi afgeskei word. Die effek van hierdie interaksie is tweeledig: (i) Die fisiese interaksie tussen PGIP en PG moduleer die aktiwiteit van die PG deur die ensiemaksie te inhibeer, en (ii) PGinhibisie lei tot die verhoogde stabiliteit van langketting-oligogalakturonades, molekules wat daartoe in staat is om die weerstandsrespons van plante te ontlok. Die inhibisie van die patogeen-PG's, tesame met die geïnduseerde weerstandrespons, stel die plant dan in staat om verdere infeksie te vertraag of te verhoed. Die doel van hierdie studie was om die onderliggende aspekte van PGIPregulering in wingerd te bestudeer. In teenstelling met die meeste plantspesies waar pgip-gene in klein multigeenfamilies aangetref word, is daar nie 'n pgip-multigeenfamilie in wingerd nie. Veelvuldige kopieë van In enkele pgip-geen word egter in die wingerdgenoom aangetref. Daar is onlangs in ons laboratorium In genoom-DNAfragment vanaf Vitis vinifera cv Pinotage geïsoleer wat die oopleesraam en 5'-stroomopsekwense van In PGIP-enkoderende geen (Vvpgip1) bevat. In hierdie studie is die uitdrukkingspatroon van Vvpgip1 ten opsigte van weefselspesifisiteit, korrelontwikkelingsfase, asook die effek van verskeie omgewings en patogeenverwante stres-stimuli ontleed. Die regulatoriese meganismes van Vvpgip1 bevat spesifieke in planta-ontwikkelingsfaseseine wat verder deur spesifieke faktore, insluitende omgewings- en patogeenstres, gereguleer word. In lyn hiermee is mRNS-transkripte van Vvpgip1 tot wortel- en korrelweefsels beperk, terwyl die mRNS-vlakke ook tussen verskillende korrelontwikkelingsfases wissel. Kumulatiewe uitdrukking kon waargeneem word in veráison-korrels in reaksie op verwonding en osmotiese stres. Die weefselspesifieke uitdrukkingspatroon tipies van wingerd-PGIP is in blare opgehef in reaksie op Botrytis cinerea-infeksie, verwonding, osmotiese stres, ouksien (indoolasynsuur) en salisiensuur. PGIP-uitdrukking word ook onderdruk deur In staurosporien-sensitiewe proteïenkinase, wat In goeie aanduiding is van die betrokkenheid van proteïenfosforilasie in die seintransduksiekaskade wat tot PGIPuitdrukking aanleiding gee. Die geïnduseerde PGIP-uitdrukkingsprofiel in wingerdblare kan ook nageboots word in tabak wat met die Vvpgip1-geen en -promotor getransformeer is. PG-inhibisie-eksperimente met membraan-geassosieerde proteïenekstrakte van geïnduseerde wingerdblare het ook dieselfde profiel getoon as dié van PGIP wat deur die Vvpgip1-geen geënkodeer is. Die uitdrukkingsprofiel van PGIP in die transgeniese tabakplante het ook bewys dat die promotor van die Vvpgip1-geen vir die geïnduseerde PGIP-uitdrukkingsprofiel in wingerdblare verantwoordelik is. In silica-analise van die promotorarea dui op die teenwoordigheid van verskeie cis-werkende elemente. Die kern promotor en transkripsie-aanvangsgedeelte is gevolglik eksperimenteel bepaal. Verder het uitdrukkingseksperimente met promotorfragmente verskeie dele van die promotor geïdentifiseer wat by stimulis-geassosieerde uitdrukking betrokke is. Posisioneel is hierdie fragmente in goeie konteks met die voorspelde cis-werkende elemente en kan dus die basis vorm vir verdere studies oor Vvpgip-regulering. Met hierdie studie word die eerste data verskaf waar die regulering van PGIP deur omgewingsverwante faktore verbind kan word met onwikkelingspesifieke toestande in die plant. Verder verskaf die resultate verdere bewyse vir die rol van PGIP in plant-patogeen-interaksies en lewer spesifieke bydraes tot die onderliggende prosesse wat by die regulering van siekteweerstandverwante gene betrokke is.
Description
Thesis (PhD)--University of Stellenbosch, 2004.
Keywords
Grapes -- Disease and pest resistance -- Genetic aspects, Grapes -- Genetic engineering, Plant genetic regulation, Polygalacturonase