Deciphering the role of apoplastic root barriers in the interaction between sedentary nematodes and Arabidopsis

Abstract

The plant-parasitic nematode species Heterodera schachtii and Meloidogyne incognita infect economically important crop plants in the entire world. Their infection causes yield losses, but effective and environmentally friendly pest management strategies require high expenses or are impractical. Nematological research therefore studies plant-nematode interaction on cellular and molecular level to improve nematode control strategies. Plant-parasitic nematodes invade roots and establish feeding sites in the vascular tissue. Within root tissue, nematodes cross the endodermis, which is equipped with cell wall reinforcements and Casparian strips (CSs) in the apoplast. These cell wall modifications consist of the resilient biopolymers suberin and lignin, respectively. To examine whether suberin and the CS play a role during nematode infection of Arabidopsis, the expression of related biosynthesis genes in nematode-infected tissue was analysed. A number of suberin biosynthesis genes were significantly upregulated in infection sites, while CS related genes were downregulated. Reporter gene analysis showed differential expression of CS and suberin markers in feeding sites, indicating the presence of suberin in surrounding tissue. Histochemical staining verified the presence of a lipophilic substance, such as suberin, in an endodermis-like cell layer encircling nematode feeding sites. Finally, a typical suberin monomer composition has been verified in nematode-infected root segments. On quantitative level, this suberin monomers showed significant differences in abundance as compared to control roots. To test whether suberin or the CS affect nematode parasitism, mutants altered in suberin deposition or CS formation were used for infectivity studies. Surprisingly, not suberin alterations but defective CSs had a significant impact on nematode infection and development. The role of suberin and CSs during nematode infection and nutrient acquisition as well as the impact of the endodermal barrier surveillance system are discussed.

<strong>Die Entschlüsselung der Rolle apoplastischer Wurzelbarrieren in der Interaktion zwischen sedentären Nematoden und Arabidopsis</strong> <br /> Die pflanzenparasitären Nematodenarten Heterodera schachtii und Meloidognye incognita befallen ökonomisch wichtige Nutzpflanzen weltweit. Der Befall verursacht Ertragsverluste, aber effektive und umweltverträgliche Maßnahmen zur Schädlingskontrolle sind kostspielig oder inpraktikabel. Aus diesem Grund untersucht die nematologische Forschung die Pflanze-Nematode Interaktion auf zellulärer und molekularer Ebene zur Verbesserung der Pflanzenschutzstrategien. Pflanzenparasitäre Nematoden dringen in Wurzeln ein und etablieren Nährgewebe im Zentralzylinder. Dafür durchdringen Nematoden innerhalb des Wurzelgewebes die Endodermis, welche durch Zellwandverstärkungen und den Casparischen Streifen (CS) modifiziert ist. Diese Verstärkungen bestehen jeweils aus den widerstandsfähigen Biopolymeren Suberin und Lignin. Um zu untersuchen ob Suberin und der CS eine Rolle bei der Infektion von Arabidopsis mit Nematoden spielen, wurde die Expression von zugehörigen Bio-synthesegenen in infizierten Wurzelsegmenten analysiert. Eine Reihe von Suberinbiosynthesegenen war signifikant hochreguliert in Infektionsstellen, wobei CS verwandte Gene runterreguliert waren. Die Reportergenanalyse zeigte unterschiedliche Expressionsmuster von Suberin und CS verwandten Markern in Infektionsstellen, implizierte , jedoch, das Vorliegen von Suberin in umliegendem Gewebe. Histochemische Färbungen betsätigten Ablagerungen einer lipophilen Substanz, wie Suberin, in einer Endodermis-ähnlichen Zellschicht, die die Infektionsstelle umgibt. Schließlich wurde eine typische Suberin-Monomerzusammensetzung qualitativ bestätigt. Auf quantitativer Ebene zeigten sich signifikante Unterschiede im Vergleich zu Suberin aus nicht befallenen Wurzeln. Um zu untersuchen, ob Suberin oder der CS eine Auswirkung auf den Befall von Nematoden haben, wurden transgene Pflanzenlinien mit veränderter Suberinbiosynthese oder defekter Bildung des CSs für Infektionsstudien genutzt. Überraschenderweise hatten defekte CS einen signifikanten Einfluss auf den Parasitismus und nicht die Suberinveränderungen. Die Rolle von Suberin und CS insbesondere für die Nährstoffakkumulation von Nematoden sowie der Einfluss des Barriere-Überwachungssystems der Endodermis werden diskutiert.