Chemical and molecular analysis of the cell wall composition of tomato (Lycopersicon esculentum) in relation to resistance to Ralstonia solanacearum, causal agent of bacterial wilt [Elektronische Ressource] / von Hina Beri

Hina Beri

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• Publié par: gottfried_wilhelm_leibniz_universitat_hannover
• Publié le: 01 janvier 2005
• Nombre de lectures: 23
• Langue: Deutsch
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Extrait

CHEMICAL AND MOLECULAR ANALYSIS OF THE CELL WALL
COMPOSITION OF TOMATO (Lycopersicon esculentum) IN RELATION TO
RESISTANCE TO Ralstonia solanacearum, CAUSAL AGENT OF BACTERIAL
WILT








Von der Naturwissenschaftlichen Fakultät
Universität Hannover, Germany
zur Erlangung des Grades einer




Doktorin der Gartenbauwissenschaften
- Dr. rer. hort. -










genehmigte Dissertation



von

MSc. Hina Beri


th geboren am 12 Februar 1974, India



2005








Referentin: Co- Referent:

PD Dr. Kerstin Wydra Prof. B. Moerschbacher



thTag der Promotion: 7 July 2005 ZUSAMMENFASSUNG



Die Bakterielle Welke verursacht durch Ralstonia solanacearum gehört zu den
wichtigsten bakteriellen Pflanzenkrankheiten weltweit. In der Bekämpfung scheinen
integrierte Maßnahmen mit wesentlichem Augenmerk auf der Resistenz von
Wirtspflanzen die geeignetsten Mittel. Um die bisher instabile Resistenz der
Wirtspflanzen zu erhöhen wurden am Modellsystem Tomate / R. solanacearum
Untersuchungen zur Rolle der Pflanzenzellwandstruktur in der Interaktion mit dem
Pathogen durchgeführt. Extrahierte Pektine einer resistenten Linie wiesen signifikant
höhere Methylveresterungsgrade des Homogalakturonans (HG) in der Wurzel (res.:
64,0%, anf.: 7,0%) und im Stängel (res.: 44,0%, anf.: 9,0%) auf als Extrakte einer
anfälligen Linie, während in der Monomerenzusammensetzung Unterschiede im
Mannoseanteil gefunden wurden. Mittels Immuno-Dot-Blot wurde eine nicht-blockweise
Esterverteilung im Pektin aus Stängeln der anfälligen und eine blockweise Verteilung in
der resistenten Linie festgestellt. Im Immun-Stängel-Print wurde nach Infektion ein
erhöhter Anteil niedrig veresterter HGs mit homogener De-esterifizierung beobachtet,
was auf einen spezifischen Abbau nicht-blockweise verteilter Estergruppen durch die
bakterielle Pektinmethylesterase hindeutet, und es wurden verstärkt Galaktan- und
Arabinanseitenketten des Rhamnogalakturonan I (RGI) und Arabinogalaktanprotein
(AGP) in den Xylemwänden der anfälligen Linie nachgewiesen. Der Anstieg im
Nachweis homogen de-esterifizierten HGs nach Infektion bestätigte sich in anfälligen
nah-isogenen Linien. In immun- histochemischen Untersuchungen wurden in der
anfälligen Linie konstitutiv ein erhöhter Anteil homogen de-esterifizierter HGs und
geringerer Anteil AGPs in den Gefäßwänden sowie Galaktans des RGI im
Xylemparenchym nachgewiesen. Nach Infektion stieg in der anfälligen Linie der
Nachweis von niedrig verestertem HG und die homogene Veresterungsstruktur sowie
von Galaktan und Arabinan in den Seitenketten des RGI in und um die Gefäße stark an,
während sich in der resistenten Linie die Anzahl Gefäße mit erhöhtem Galaktan- und
Arabinannachweis signifikant erhöhte, was auf einen Abwehrmechanismus hinweisen
könnte. Eine Erhöhung der Basis- Resistenz durch Selektion von Linien mit veränderter
Zellwandstruktur könnte möglich sein.



Stichwörter : Ralstonia solanacearum, Resistenz, Zellwandpolysaccharide ABSTRACT



Bacterial wilt caused by Ralstonia solanacearum (Yabuuchi) is one of the most important
and widely distributed plant diseases in the tropics. An integrated approach with
emphasis on host plant resistance is the most suitable measure for the control of bacterial
wilt. To improve unstable resistance, investigations were conducted in the model system
tomato / R. solanacearum focussing on the role of plant cell wall structures in interaction
with the pathogen. Extracted pectins from the resistant genotype showed significantly
higher methyl-esterification of homogalacturonan (HG) in roots (resistant: 64%,
susceptible: 7%) and in stems (resistant: 44%, susceptible: 9%) than extracts from the
susceptible genotype, while in the monomeric composition differences were observed
between the genotypes in the mannose content. In immunodot blot membranes a non-
blockwise de-esterification pattern showed in extracts from stems from the susceptible
genotype compared to a more blockwise pattern of HG in the resistant genotype. In tissue
print assays of stems of the susceptible genotype after infection an increase in low-
esterified HG was observed indicating the possible action of pathogen
pectinmethylesterase (PME). Also detection of galactan and arabinan side chains of RG I
and of arabinogalactan proteins (AGPs) in the xylem cell walls increased in the
susceptible genotype. The increase in the homogeneous de-esterification of HG after
infection was also confirmed with susceptible, near-isogenic lines. In immuno-
histochemical studies the susceptible lines revealed a constitutively higher part of
homogeneous de-esterification of HG and a lower part of AGPs in xylem walls, as well
as galactan in RG I in the xylem parenchyma. After inoculation an increased labelling of
low esterified HG was seen in the susceptible genotype as well as stronger labelling of
arabinan and galactan side chains of RG I in and around vessels, while in the resistant
genotype after infection labelling of arabinan and galactan side chains of RG I increased
significantly, indicating a possible resistance mechanism. Selection of tomato lines with
optimal cell wall structure could be a possible venue to increase basic resistance against
bacterial wilt.
The biochemical analysis of lipopolysaccharides (LPS) of R. solanacearum revealed the
typical composition of LPS for R. solanacearum strains without major differences among
them. Rheological interactions between extracted plant pectins and bacterial LPS were
measured in vitro. No synergistic effects such as increases in viscosity were recorded in
various mixtures of LPS of R. solanacearum strain ToUdk2 and pectins from stems of
susceptible host plants nor occurred any rheological changes in mixtures with pectin from
the resistant plant.


Keywords : Ralstonia solanacearum, Resistance, Cell wall polysaccharides

TABLE OF CONTENTS i
TABLE OF CONTENTS …………………………………………………...…………...i

LIST OF TABLES …………………………………………...……………..…………..iv

LIST OF FIGURES …………………………………………………………..………..vi

ABBREVIATIONS ……………………………………………………………...…..…..x

ABSTRACT …………………………………………………………………….……..xiii


CHAPTER I

Structural characterization of extracted cell wall polysaccharides from tomato
genotypes resistant and susceptible to Ralstonia solanacearum and studies of their
influence on the physiological state of the pathogen

1.1. Introduction………………………………………………………………………….1

1.2. Materials and Methods…………………………………………………………….12

1.2.1. Plant material……………………………………………………………...12
1.2.2. Extraction of pectic polysaccharides……………………………………...12
1.2.3. Acid hydrolysis of pectic polysaccharides……………………………….. 14
1.2.4. Quantitative determination of uronic acids …………………………….…14
1.2.5. Total protein determination …………………………………………….…15
1.2.6. Determination of degree of methyl esterification (DM) of pectic
polysaccharides…………………………………………………………………..15
1.2.7. Immuno-dot Assay………………………………………………………...16
1.2.8. Quantification of VBNC bacterial cells………………………………….. 16
1.2.9. Statistical Methods ………………………………………………………. 18

1.3. Results………………………………………………………………………………19

1.3.1. Carbohydrate composition of pectic polysaccharides from tomato stems and
roots …………………………………………………………………………….. 19
1.3.2.Characterization of extracted pectic polysaccharides by immunodot
assay…………………………………………………………………………….. 21

1.3.3. Effect of extracted pectic polysaccharides on viability and culturability of
R. solanacearum……………………………………………………………………….…27

1.4. Discussion…………………………………………………………………………..30

1.5. Summary ……………………………………………………………………………38
TABLE OF CONTENTS ii
CHAPTER II

Structural characterization by tissue prints of pectic polysaccharides in xylem
vessels of tomato in relation to infection by Ralstonia solanacearum

2.1 Introduction…………………………………………………………………………40

2.2 Materials and Methods……………………………………………………………..49

2.2.1 Plant material………………………………………………………………49
2.2.2 Reaction of tomato genotypes to bacterial wilt……………………………49
2.2.3 Quantification of latent infections in stems………………………………. 51
2.2.4 Tissue printing …………………………………………………………….52
2.2.5 Statistical Methods………………………………………………………...53

2.3 Results………………………………………………………………………………54

2.3.1 Symptom development in tomato genotypes ……………………………...54
2.3.2 Latent bacterial multiplication……………………………………………..55
2.3.3 Characterization of pectic polysaccharides by immunochemical
stem tissue printing ……………………………………………………………...57

2.4 Discussion…………………………………………………………………………..