Biological, chemical and molecular studies on the systemic induced resistance in tomato against <em>Meloidogyne incognita </em>caused by the endophytic <em>Fusarium oxysporum</em>, Fo162

Abstract

In this study, the role of the mutualistic endophyte <em>Fusarium oxysporum</em> (Fo162) in inducing systemic resistance in tomato against the root knot nematode, <em>Meloidogyne incognita</em>, was investigated at the biological, physiological and molecular level. It was determined whether Fo162 was able to colonize Fusarium-wilt resistant cultivars and simultaneously induced resistance against root knot nematodes. The results showed that Fo162 successfully colonized the endorhiza of 8 Fusarium-wilt resistant cultivars. A positive correlation was detected between Fo162 colonization levels and root-knot nematode control on both Fusarium-wilt resistant and susceptible tomato cultivars. Remarkably, the levels of Fo162 colonization were higher on the majority of these resistant cultivars when compared to susceptible cultivars, also causing a greater reduction in nematode infection. Then the influence of root exudates obtained from tomato plants, pre-inoculated with Fo162, on rootknot nematode attraction or repellency was determined. The results showed that these root exudates of tomato plants affected the behaviour and migration pattern of <em>M. incognita</em> J2. The chemical composition of these root exudates was also biochemically evaluated, using RP-HPLC analysis. Fo162 colonization resulted in increasing the accumulation of several different chemical compounds in root exudates of tomato plants which may be responsible for a repelling effect towards the nematode. The defences in Fusarium-wilt susceptible and resistant tomato cultivars, induced by Fo162, against <em>M. incognita</em> were further analyzed with respect to its systemic nature and durability. The results showed that Fo162 was able to induce a systemic resistance of both the Fusarium-wilt resistant and susceptible tomato cultivars tested which could still be detected 7 days after physically separating the endophyte. However, due to the experimental procedure, possible additive effects of wound induced defence responses cannot be ruled out with respect to this prolonged reduction in root-knot nematode infection. The biotic induced resistance, caused by Fo162 was compared with the typical induced systemic resistance (ISR) and systemic acquired resistance (SAR), which can be chemically induced using methyl jasmonate (MJ) and salicylic acid (SA), respectively. The results showed that in a split root experiment these abiotic inducers both increased the levels of systemic resistance and reduced the number of galls of <em>Meloidogyne incognita</em> on tomato plants, similar to Fo162. The similarities in reducing root knot nematode colonization by using the biotic and abiotic elicitors offered new perspectives for further research on the mechanism underlying the systemic induced resistance by using molecular tools. Alterations in the expression of genes caused by these elicitors were monitored using a tomato genome array. This demonstrated that the chemical elicitors, SA and MJ, and the biological inducer, Fo162, all alter the expression of a great number of genes. The highest number of genes that were altered in expression level was detected within the plants leaves, especially the plants inoculated with Fo162. By selection the genes, of which the expression had altered in the same direction with all three elicitor treatments, the number of potentially interesting genes could be significantly reduced. Although some candidate genes were identified, further research is necessary to confirm the role of these genes in the systemic resistance against root knot nematodes. The elicitors also affected the expression of genes, whose products are associated with chlorophyll synthesis and water stress, a finding that corroborated with the physiological and biological observations. This validated the relevance of expression analysis studies by genome arrays as a relevant approach in studying the resistance mechanisms induced by biotic and abiotic elicitors in tomato plants.

<strong>Biologische, chemische und molekularbiologische Untersuchung von systemisch induzierter Resistenz an Tomate gegen Meloidogyne incognita durch den Endophyt Fusarium oxysporum, Fo162 </strong><br /> In der vorliegenden Arbeit wurde der mutualistische Endophyt <em>Fusarium oxysporum</em> (Fo162) in Bezug auf induzierte systemische Resistenz an Tomate, gegen den Wurzelgallennematoden <em>Meloidogyne incognita</em>, biologisch, physiologisch und molekularbiologisch untersucht. Zudem wurde ermittelt ob Fo162 in der Lage ist Fusariumwelke resistente Tomatensorten zu besiedeln und gleichzeitig Resistenz gegen Wurzelgallennematoden systemisch zu induzieren. Die Ergebnisse zeigen das Fo162 die Endorhiza von 8 Fusarium-welke resistenten Sorten besiedeln konnte. Es wurde gezeigt, dass die Fo162 Kolonisierung in Fusarium-welke resistenten und anfälligen Sorten positiv mit der Kontrolle von <em>M. incognita</em> korrelierte. Bemerkenswert war die Tatsache, dass der Grad der Kolonisierung in welke-resistenten Sorten höher war und die Reduktion der Nematoden stärker als in anfälligen Sorten.<br /> Dann wurde der Einfluss von Wurzelexudaten von Fo162 prä-inokulierten Tomaten auf <em>M. incognita</em> Anlockung oder Abstoßung untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die Wurzelexudate das Verhalten und Bewegungsmuster von <em>M. incognita</em> J2 beeinflußten. Die chemische Zusammensetzung der Wurzelexudate wurde biochemisch mittels RP-HPLC ermittelt. Es konnte gezeigt werden, dass Fo162 Kolonisierung die Akkumulation verschiedener chemischer Verbindungen, die eine abstoßende Wirkung gegen den Nematoden haben könnten, positiv beeinflußt.<br /> Die Abwehr von Fusarium-welke anfälligen und resistenten Sorten, induziert durch Fo162 gegen <em>M. incognita</em> wurde im Hinblick auf ihre systemische Eigenschaft und Standhaftigkeit weiterhin untersucht. Die Ergenisse zeigten das die durch Fo162 induzierte systemische Resistenz in anfälligen und resistenten Sorten, selbst sieben Tage nach physischer Trennung von Endophyt und Pflanze messbar war. Jedoch kann ein additiver Effekt durch Verletzungs-induzierte Mechanismen durch die dauerhafte Nematoden Penetration nicht ausgeschlossen werden.<br /> Die biotisch induzierte Resistenz durch Fo162 durch induzierte systemische Resistenz (ISR) und systemisch aquirierter Resistenz (SAR) ausgelöst, wurde durch Chemiekalien wie Methyl-Jasmonate (MJ) und Salicylsäure (SA) hervorgerufen. Die Ergebnisse zeigen, dass diese abiotische Induktion in Split-root-Systemen das selbe Level an SAR und ISR, und die selbe Anzahl an <em>M. incognita</em> Gallen an Tomatewurzeln zeigte, vergleichbar mit Fo162 behandelten Pflanzen.<br /> Die Reduktion von Nematoden mit Hilfe von biotischen sowie abiotischen Faktoren eröffnet neue Forschungsmöglichkeiten, die mit Hilfe von molekularbiologischen Techniken hier untersucht wurden. Eine Änderung der Genausprägung durch diese Faktoren wurde mit dem Tomaten Genom Array durchgeführt. Dieser zeigte, dass sowohl SA, MJ als auch Fo162 die Expressionslevels vieler Gene änderte. Die signifikantesten Änderungen wurden in Blättern von Fo162 inokulierte Pflanzen gefunden. So konnten potentielle Gene identifiziert werden die bei allen Behandlungen (MJ, SA und Fo162) reguliert wurden. Obwohl einige Gene identifiziert wurden, bedarf es weiterer Forschung um ihre Bedeutung in der systemischen Resistenz gegen <em>M. incognita</em> zu bestätigen. Außerdem wurden auch Genexpressions Veränderungen von Genen beobachtet die mit der Chlorophyllsynthese und dem Wassertransport assoziiert,sind. Dies wurde mit physiologische-biologischen Veränderungen in Verbindung gebracht. Diese Studie zeigte das Expressionsanalysen mit Hilfe von Genom Arrays ein wichtiger und relevanter Ansatz sind, um Resistenzmechanismen induziert durch biotische und abiotische Faktoren an der Tomate zu untersuchen.