Diversity, evolution and function of Ralstonia solanaceaurm TALE-likes

Abstract

The bacterial Ralstonia solanacearum species complex (Rssc) posses a large effector repertoire and is set apart from many other bacterial plant pathogens by its broad host range of over 200 plant species and the lethality of the disease. Diseases caused by the Rssc impact the yield and possibility to cultivate certain plant species in tropical areas, where these bacteria are endemic. Most host plants are solanaceous, such as tomato, pepper or potato, but certain lineages within the Rssc specialized on economically important crops of the Musa family, such as banana or plantain. Among the large effector repertoire are homologs of the Transcription Activator Like Effectors (TALEs), termed RipTALs. RipTALs are able to recognize specific DNA sequences and activate transcription of neighbouring genes. This work provides a comprehensive overview of the abundance of RipTAL genes within the Rssc, as well as their coding sequences. It is demonstrated that all identified RipTALs act as sequence specific transcription factors in plants. In contrast to TALEs, the diversity of RipTAL target sequences is limited. Yet, RipTALs form distinct functional groups of overlapping sequence specificity, which can be correlated to strain host ranges. Based on the comparison of RipTALs and TALEs a model explaining the behavior of these genes in natural bacterial populations is presented. The utilization of RipTALs in the context of disease resistance in plants constitutes a second central theme of this work. Two distinct approaches were followed. Firstly, the natural diversity of the model plant Arabidopsis thaliana was assessed regarding naturally occurring RipTAL mediated defense reactions. This unveiled four candidate ecotypes that exhibit a RipTAL dependent disease phenotype. Secondly, a translational, synthetic approach to establish RipTAL-dependent disease resistance in the model plant A. thaliana, as well as in the crop model Solanum lycopersicum was employed. Experimental results showed a RipTAL-dependent resistance response, in plant tissues transformed with the synthetic construct.

Der bakterielle Ralstonia solanacearum Spezienkomplex verfügt über eine große Anzahl an Effektoren und zeichnet sich unter den bakteriellen Krankheitserregern durch ein sehr breites Wirtsspektrum von über 200 Pflanzenarten, sowie den für die Pflanze tödlichen Ausgang der Krankheit aus. Dies führt vorallem in tropischen Regionen zu starken Einschränkungen in der Kultivierbarkeit bestimmter Pflanzen bzw. zu Ernteausfällen. Viele der Wirte sind Nachtschattengewächse (z.B. Kartoffel, Tomate, Paprika), jedoch sind auch Erreger von Krankheiten einkeimblättriger Pflanzen, die ökonomisch relevante Vertreter der Bananengewächse infizieren und töten, teil des Spezienkomplexes. Unter den Effektoren finden sich Homologe der “Transcription activator like effectors” (TALEs), die RipTALs, die in der Lage sind spezifische DNS Sequenzen zu erkennen und die Transkription benachbarter Gene zu aktivieren. Die vorliegende Arbeit bietet den ersten umfassenden Überblick über die Verteilung von RipTAL Genen im Spezienkomplex, sowie deren kodierende Sequenzen. Darüber hinaus konnte experimentell gezeigt werden, dass alle RipTALs sequenzspezifische Transkriptionsfaktoren sind. Im Gegensatz zu TALEs sind RipTALs wenig divers in ihren Zielsequenzen, jedoch bilden sie, in Abhängigkeit der präferierten Wirtspflanzen, nicht überlappende Spezifitätsgruppen. Auf Basis eines Vergleichs von RipTAL und TALE Genen wird ein erklärendes Konzept zum Verhalten dieser Gene in natürlichen Bakterienpopulationen vorgestellt. Zusätzlich war die Nutzbarkeit von RipTALs im Kontext von pflanzlicher Resistenz eine zentrale Fragestellung. Hierzu wurde die natürliche Diversität der Modellpflanze Arabidopsis thaliana hinsichtlich RipTAL abhängiger Resistenz untersucht. Es konnten vier Ökotypen identifiziert werden, die einen RipTAL-abhängigen Krankheitsphänotyp zeigen. Darüber hinaus wurde ein synthetisch-translationaler Ansatz zur Etablierung RipTAL-induzierter Resistenz gegen R. solanacearum im Nutzpflanzenmodell Solanum lycopersicum, sowie in A. thaliana, verfolgt. Experimentell konnte eine RipTAL abhängige Resistenzreaktion in, mit dem synthetischem Konstrukt transformiertem, pflanzlichem Gewebe gezeigt werden.