The basic equipment for pathogen recognition in Marchantia polymorpha

Abstract

The aim of this thesis was to discover ancient principles of signaling mechanisms in the liverwort M. polymorpha by identifying orthologs involved in perception systems in angiosperms and elucidation of the function of the respective proteins. By heterologous expression of M. polymorpha genes in the angiosperm model plants A. thaliana and N. benthamiana we were able to use established methods to test for protein or protein subdomain function in terms of complex formation, activation and signal transmission. Our proteins of interest included core regulators of signaling mechanisms, SERK, SOBIR and BIR, as well as a selection of MpLRR-RLKs, resembling the well-established cell surface receptors in vascular plants. We were able to demonstrate (i) that MpSERK is able to substitute for BAK1 in vascular plants and shows interaction with known LRR-RLKs, (ii) that the MpSOBIR ortholog is functional and able to build a signaling-competent complex with RLP42, (iii) that MpBIR bears sequence and conceptual similarity to BIR1, but not BIR2 or BIR3, from A. thaliana, (iv) that three of the selected MpLRR-RLK kinase domains are able to feed into higher plant signaling cascades, and (v) that MpHSL and MpIDA form a signaling-competent complex with dependency on a co-receptor of the SERK family. These results contribute to the understanding of the basic equipment of signaling mechanisms in bryophytes and built the basis for further approaches to gain information about the evolution of pattern recognition.

Ziel dieser Arbeit war es, alte Prinzipien von Signalmechanismen in dem Lebermoos M. polymorpha zu entdecken, indem Orthologe identifiziert wurden, die an Wahrnehmungssystemen in Angiospermen beteiligt sind, und die Funktion der jeweiligen Proteine aufzuklären. Durch heterologe Expression von M. polymorpha-Genen in den Angiospermen-Modellpflanzen A. thaliana und N. benthamiana konnten wir mit Hilfe etablierter Methoden die Funktion von Proteinen oder Protein-Subdomänen im Hinblick auf Komplexbildung, Aktivierung und Signalübertragung testen. Zu den Proteinen, die uns interessierten, gehörten zentrale Regulatoren von Signalmechanismen, SERK, SOBIR und BIR, sowie eine Auswahl von MpLRR-RLKs, die den bekannten Zelloberflächenrezeptoren in Gefäßpflanzen ähneln. Wir konnten zeigen, (i) dass MpSERK in der Lage ist, BAK1 in Gefäßpflanzen zu ersetzen und Interaktion mit bekannten LRR-RLKs zeigt, (ii) dass das MpSOBIR-Ortholog funktionell und in der Lage ist, einen signaltechnisch kompetenten Komplex mit RLP42 zu bilden, (iii) dass MpBIR Sequenz- und konzeptionelle Ähnlichkeit mit BIR1, aber nicht mit BIR2 oder BIR3, aus A. thaliana aufweist, (iv) dass drei der ausgewählten MpLRR-RLK-Kinase-domänen in der Lage sind, sich in höhere pflanzliche Signalkaskaden einzuschalten, und (v) dass MpHSL und MpIDA einen signal-kompetenten Komplex bilden, der von einem Co-Rezeptor der SERK-Familie abhängig ist. Diese Ergebnisse tragen zum Verständnis der Grundausstattung von Signalmechanismen in Bryophyten bei und bilden die Grundlage für weitere Ansätze, um Informationen über die Evolution der Mustererkennung zu gewinnen.