Identification of plant recognition receptors for nematode derived molecular patterns

Abstract

Plant parasitic nematodes are pathogens of great economic importance causing major losses in various food crops world-wide. A reliable, effective and efficient control method is establishing resistant cultivars of which understanding plant defense against nematodes is the first step towards this solution. Plant defence relies on recognition of Pathogen-Associated Molecular Patterns (PAMPs) by surface-localised Pattern-Recognition Receptors (PRRs) prior to pathogen penetration. Upon PAMP perception, PRRs trigger intracellular signalling cascades leading to activation of PAMP-Triggered Immunity (PTI). PRRs perceiving a wide-range of PAMPs have now been characterized for various models of plant-pathogen interactions; however, even though Nematode derived PAMPs (NAMPS) such as ascarosides have been identified, none of their perceiving receptors have been characterized. Here we show that invasion of Arabidopsis roots by parasitic nematodes triggers PTI-like responses including an upregulation of defense related genes. Treating Arabidopsis roots with a nematode aqueous solution (NemaWater) similarly induced expression of defense genes. Among the upregulated genes were a number of plasma-membrane – localized Receptor-Like Kinases (RLKs) belonging to Leucine Rich Repeat (LRRs), Never In Mitosis A (NIMA) rElated Kinases (NEKs), Cysteine-Rich RLKs (CRKs) and Phytosulfokine Kinase (PSK) families. Nematode infection assays with candidate genes demonstrated that loss of NILR1 (for NEMATODE-INDUCED LRR-RLK 1) expression enhances the susceptibility of plants to a broad range of nematodes suggesting that NILR1 is a PRR that perceives a conserved nematode-derived NAMP. This finding is equally supported by experiments showing that nilr1 is defective in ROS burst as well as in seedling growth inhibition upon NemaWater treatment compared with wild-type control. In addition, presence ROS burst by NemaWater on rice plants suggested triggering of PTI by a NILR1 homologue in rice.<br /> We further showed AtNEK5 and NILR3 as potential NAMP receptors due to susceptibility of their knock out mutants to sedentary nematodes while two CRKs; CRK 19 and CRK10 portrayed roles in defense against nematodes in a species dependent manner. In addition, we demonstrated that the co-receptor BAK1 can be utilized to mine for potential receptors and signalling components involved in immunity against nematodes through successful BAK1-GFP pull down assay. The identification of NILR1 among others PRR perceiving NAMPs and successful baiting of BAK1 to pulldown nematode derived immunity components are major steps forward in understanding plant basal defense against nematodes. Consequently, these findings will not only increase knowledge into plant-nematode interaction but also pave way for further exploration of plant immunity studies. As a direct effect, the vital information from this study remains as a resource for molecular breeding of nematode resistant plants and a solution to yield loss due to nematode.

Pflanzenparasitäre Nematoden sind Pathogene von großer ökonomischer Relevanz, da sie weltweit enorme Verluste in diversen Nutzpflanzensorten verursachen. Eine verlässliche, effektive und effiziente Regulierung ist die Verwendung resistenter Kultivare, wobei das Verständnis der Verteidigungsstrategien von Pflanzen gegen Nematoden ein erster Schritt zu dieser Lösung ist. Pflanzliche Verteidigungsstrategien beruhen auf der Erkennung sogenannter "Pathogen-Associated Molecular Patterns" (PAMPs) durch "Pattern-Recognition Receptors" (PRRs) bevor der Pathogen eindringt. Durch die Perzeption von PAMPs lösen PRRs intrazelluläre Signalkaskaden aus, die zur Aktivierung der PAMP-Triggered Immunity (PTI) führen. PRRs, die eine Viezahl von PAMPs erkennen, werden inzwischen in unterschiedlichen Modellen über die Planze-Pathogen Interaktionen beschrieben. Jedoch, obwohl nematodenbezogene PAMPs (NAMPs), wie zum Beispiel Ascaroside, identifiziert wurden, wurde bislang kein entsprechender Rezeptor charakterisiert. Hier zeigen wir, dass die Invasion von Arabidopsiswurzeln durch pflanzenparasitäre Nematoden PTI ähnliche Signale auslöst, einschließlich einer Hochregulation von Genen der Pflanzenabwehr. Die Behandlung von Arabidopsiswurzeln mit einer wässrigen Nematodenlösung (NemaWater) induziert auf eine ähnliche Weise die Expression von Abwehrgenen. Unter den hochregulierten Genen befinden sich eine Reihe "Receptor-Like Kinases" (RLKs) der Plasmamembran, die zu den Familien der "Leucine Rich Repeat (LRRs), Never In Mitosis A (NIMA) rElated Kinases (NEKs), Cysteine-Rich RLKs (CRKs)" und "Phytosulfokine Kinase" (PSK) gehören. Nematoden-Infektionsstudien demonstrierten, dass der Verlust des Kandidatengens NILR1 (for NEMATODE-INDUCED LRR-RLK 1), die Anfälligkeit der Pflanzen gegenüber einer Reihe von Nematodenarten erhöht. Dieses Ergebnis legt nahe, dass es sich bei NILR1 um ein NAMP erkennendes PRR handelt. Gleichzeitig wird diese Annahme durch Experimente unterstützt, die zeigen, dass die transgene Pflanze nilr1 eine beeinträchtigte ROS Ausschüttung sowie eine Hemmung des Keimlingswachstums nach Behandlng mit NemaWater aufweist. Zusätzlich suggerierte die ROS Ausschüttung in Reispflanzen durch NemaWater Behandlung, dass in diesem Fall ein NILR1 Homolog PTI auslöst. Außerdem zeigten wir, dass es sich bei AtNEK5 und NILR3 um potentielle NAMP Rezeptoren handelt, da die entsprechenden Knockout-Mutanten anfälliger gegenüber sedentären Nematoden waren, während die Rollen von CRKs; CRK 19 und CRK10, in speziesabhängigen Abwehrmechanismen vermutet werden. Zusätzlich konnten wir demonstrieren, dass der Korezeptor BAK1 in einer "GFP pull down" Analyse zur Suche nach potentiellen Rezeptoren und Signalkomponenten, involviert in Immunitätsmechanismen gegen Nematoden, verwendet werden kann. Die Identifizierung von NILR1 neben anderen PRR erkennenden NAMPs und das erfolgreiche Ködern von BAK1 zum Detektieren von nematodenbezogenen Immunitätskomponenten sind wichtige Schritte zu einem Verständnis der basalen Pflanzenabwehr gegen Nematoden. Folglich werden diese Erkenntnisse nicht nur das Wissen über die Pflanzen-Nematoden Interaktion bereichern, sondern auch den Weg ebnen für zukünftige Untersuchungen des Pflanzenimmunsystems. Als direkter Effekt stellt diese Studie eine Resource für molekulare Züchtung nematodenresistenter Pflanzen sowie eine Strategie zur Reduktion von Ernteausfällenn dar.