Identification and characterization of a cystatin-like effector protein from beet cyst nematode <em>Heterodera schachtii</em> and its role in plant-nematode interaction

Abstract

Sedentary cyst nematodes are of high economic interest as they can cause substantial yield losses in important crop plants. Due to their complex soil-based life cycle and severe restrictions on the application of nematicides management strategies are rare. To date, resistant plants are the most effective and economically as well as environmentally reasonable alternative to chemical control agents. However, nematodes are evolutionarily able to overcome the resistance after some time, facing researchers with the challenge to breed new resistant lines. Therefore, knowing the details of the interaction between plant and pathogens is fundamentally. <br /> Cyst nematodes establish a highly complex long-term relationship with their hosts that requires massive cytological modifications of the host cell to form a syncytial feeding structure. Therefore, plant defence mechanisms need to be circumvented by the nematode. Using their stylet, cyst nematodes introduce a mixture of different effector proteins into the host cells that manipulate the activity of host derived proteins. Since enzymes are only functional in their active form, one objective of presented work was to visualize spezific proteins of the active proteome of syncytium induced by <em>Heterodera schachtii</em> in Arabidopsis roots. Using Activity-based Protein Profiling (ABPP) it could be shown that the activity of serine hydrolases are differently regulated, whereas the activity of vacuolar processing enzymes (VPEs) is supressed in syncytium. Furthermore Papain-like cysteine proteases (PLCPs) and all catalytic proteasomal subunits, both known to be involved in plant defence, are suppressed in case of successful parasitism. <br /> PLCPs are inhibited by cystatins, which guided to the second main objective of presented work: the identification and functional characterization of a putative cystatin-like effector protein in<em> H. schachtii </em>(HsCysL1). HsCysL1 shows involvement in plant defence and signalling by interacting with PTPLA (Protein tyrosine phosphatase-like A) and UBC19 (Ubiquitin-conjugating enzyme 19). Both proteins are known to play significant roles in various signalling and regulatory processes.<br /> Although these findings do not rudimentarily complete the understanding of the complex plant-nematode interaction, they definitely open an exciting chapter for researchers to find new management strategies against cyst nematodes.

Sedentäre Zystnematoden sind von großer Bedeutung, da sie erhebliche Ertragsausfälle in landwirtschaftlichen Kulturen verursachen können. Aufgrund ihres bodenbürtigen Lebenszyklusses und strengen Auflagen bei der Anwendung von Nematiziden sind Bekämpfungsstrategien rar. Resistente Pflanzen stellen die effizienteste und ökonomisch wie auch ökologisch vertretbarste Alternative zur chemischen Bekämpfung dar, allerdings sind Nematoden nach einiger Zeit in der Lage, Resistenzen zu durchbrechen. Forscher benötigen daher detailliertes Wissen über die Interaktion zwischen Pflanze und Pathogen, um neue resistente Pflanzen züchten zu können.<br /> Zystnematoden entwickeln hochkomplexe Langzeitbeziehungen mit ihren Wirten, was die Bildung eines Nährzellensystems durch massive Veränderungen der Wirtszellen voraussetzt. Dazu muss die pflanzliche Abwehr vom Nematoden umgangen werden. Mittels ihres Mundstachels geben sie verschiedene Effektorproteine in die Wirtszelle ab, die die Aktivität von Proteinen beeinflussen. Da Enzyme nur in aktive Form funktionieren, war ein Ziel der vorgestellten Arbeit, das aktive Proteom eines Syncytiums darzustellen. Durch Activity-based Protein Profiling (ABPP) konnte gezeigt werden, dass die Aktivität von Serinhydrolasen unterschiedlich reguliert wird, während die von vakuolar verarbeitenden Enzymen (VPEs) im Syncytium runterreguliert ist. Des Weiteren sind Papain-ähnliche Cysteinproteasen (PLCPs) sowie alle katalytischen Untereinheiten des Proteasoms runterreguliert; beide Enzymgruppen sind wichtig für die pflanzliche Abwehr. <br /> PLCPs werden durch Cystatine gehemmt, was zum zweiten Hauptpunkt der vorliegenden Arbeit führte: die Identifizierung und funktionelle Charakterisierung eines cystatin-ähnlichen Effektorproteins in <em>H. schachtii</em> (HsCysL1). HsCysL1 zeigt eine Beteiligung an der pflanzlichen Abwehr und Signalwegen durch die Interaktion mit PTPLA und UBC19. <br /> Auch wenn diese Erkenntnisse nicht annähernd einen Gesamtüberblich über die komplexe Interaktion zwischen Nematoden und Pflanzen geben können, eröffnen sie dennoch spannende Möglichkeiten für Forscher, neue Bekämpfungsstrategien gegen Zystnematoden zu entwickeln.