Phosphate homeostasis and novel microRNAs are involved in the regulation of the arbuscular mycorrhizal symbiosis in Medicago truncatula

• Main Author: Devers, Emanuel
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Universität Potsdam 2011
• Subjects: Phosphat; miRNA; Symbiose; Medicago; phosphate; symbiosis; Life sciences
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-55572; http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2011/5557/

Die arbuskuläre Mykorrhiza ist die wahrscheinlich älteste Form der Wurzelsymbiosen zwischen Pflanzen und Pilzen und hat sich vor 420 Millionen Jahren entwickelt. In dieser Symbiose, die zwischen nahezu allen Landpflanzen und Pilzen des Reiches Glomeromycota ausgebildet wird, versorgt der Pilz die Pflanze mit Nährstoffen, wobei die verbesserte Versorgung mit Phosphat für die Pflanze sicher den größten Vorteil darstellt. Im Gegenzug erhält der Pilz Zucker, welche die Pflanze aus der Photosynthese bereitstellt. Zu hohe Phosphatkonzentrationen im Boden oder Dünger führen allerdings zu einer Verringerung in der Ausprägung der arbuskulären Mykorrhiza. Diese Unterdrückung der Symbiose wird nicht durch eine lokale Reaktion der Wurzeln ausgelöst, sondern in erster Linie durch einen hohen Phosphatgehalt im Pflanzenspross. Somit handelt es sich also um eine systemische, also dem Gesamtsystem „Pflanze“ betreffende Antwort. Die molekularen Mechanismen dieser Anpassung sind noch wenig bekannt und sind vor allem für die Agrarwirtschaft von besonderem Interesse. Eine Mikro-RNA (miRNA) des bereits bekannten Phosphathomöostasesignalwegs (PHR1-miRNA399-PHO2 Signalweg) akkumuliert verstärkt in mykorrhizierten Wurzeln. Das deutet daraufhin, dass dieser Signalweg und diese miRNA eine wichtige Rolle in der Regulation der arbuskulären Mykorrhiza spielen. Ziel dieser Studie war es neue Einblicke in die molekularen Mechanismen, die zur Unterdrückung der arbuskulären Mykorrhiza bei hohen Phosphatkonzentrationen führen, zu gewinnen. Dabei sollte der Einfluss von PHO2, sowie von miRNAs in dieser Symbiose genauer untersucht werden. Ein funktionelles Ortholog von PHO2, MtPho2, wurde in der Pflanze Medicago truncatula identifiziert. MtPho2-Mutanten, welche nicht mehr in der Lage waren ein funktionales PHO2 Protein zu exprimieren, zeigten schnellere Kolonisierung durch den AM-Pilz. Jedoch wurde auch in den mtpho2-Mutanten die Symbiose durch hohe Phosphatkonzentrationen unterdrückt. Dies bedeutet, dass PHO2 und somit der PHR1-miRNA399-PHO2 Signalweg eine wichtige Funktion während der fortschreitenden Kolonisierung der Wurzel durch den Pilz hat, aber und weitere Mechanismen in der Unterdückung der Symbiose bei hohen Phosphatkonzentrationen beteiligt sein müssen. Die Analyse von Transkriptionsprofilen von Spross- und Wurzeln mittels Microarrays zeigte, dass die Unterdrückung der AM Symbiose durch hohe Phosphatkonzentrationen möglicherweise auf eine Unterdrückung der Expression einer Reihe symbiosespezifischer Gene im Spross der Pflanze beruht. Um die Rolle weiterer miRNA in der AM Symbiose zu untersuchen, wurden mittels einer Hochdurchsatz-Sequenzierung 243 neue und 181 aus anderen Pflanzen bekannte miRNAs in M. truncatula entdeckt. Zwei dieser miRNAs, miR5229 und miR160f*, sind ausschließlich während der arbuskulären Mykorrhiza zu finden und weitere miRNAs werden während dieser Symbiose verstärkt gebildet. Interessanterweise führen einige dieser miRNAs zum Abbau von Transkripten, die eine wichtige Funktion in der arbuskulären Mykorrhiza und Wurzelknöllchensymbiose besitzen. Die Ergebnisse dieser Studie liefern eine neue Grundlage für die Untersuchung von regulatorischen Netzwerken, die zur zellulären Umprogrammierung während der Interaktion zwischen Pflanzen und arbuskulären Mykorrhiza-Pilzen bei verschiedenen Phosphatbedingungen führen. === AM symbiosis has a positive influence on plant P-nutrition and growth, but little is known about the molecular mechanism of the symbiosis adaptation to different phosphate conditions. The recently described induction of several pri-miR399 transcripts in mycorrhizal shoots and subsequent accumulation of mature miR399 in mycorrhizal roots indicates that local PHO2 expression must be controlled during symbiosis, presumably in order to sustain AM symbiosis development, in spite of locally increased Pi-concentration. A reverse genetic approach used in this study demonstrated that PHO2 and thus the PHR1-miR399-PHO2 signaling pathway, is involved in certain stages of progressive root colonization. In addition, a transcriptomic approach using a split-root system provided a comprehensive insight into the systemic transcriptional changes in mycorrhizal roots and shoots of M. truncatula in response to high phosphate conditions. With regard to the transcriptional responses of the root system, the results indicate that, although the colonization is drastically reduced, AM symbiosis is still functional at high Pi concentrations and might still be beneficial to the plant. Additionally, the data suggest that a specific root-borne mycorrhizal signal systemically induces protein synthesis, amino acid metabolism and photosynthesis at low Pi conditions, which is abolished at high Pi conditions. MiRNAs, such as miR399, are involved in long-distance signaling and are therefore potential systemic signals involved in AM symbiosis. A deep-sequencing approach identified 243 novel miRNAs in the root tissue of M. truncatula. Read-count analysis, qRT-PCR measurements and in situ hybridizations clearly indicated a regulation of miR5229a/b, miR5204, miR160f*, miR160c, miR169 and miR169d*/l*/m*/e.2* during arbuscular mycorrhizal symbiosis. Moreover, miR5204* represses a GRAS TF, which is specifically transcribed in mycorrhizal roots. Since miR5204* is induced by high Pi it might represent a further Pi status-mediating signal beside miR399. This study provides additional evidence that MtNsp2, a key regulator of symbiosis-signaling, is regulated and presumably spatially restricted by miR171h cleavage. In summary, a repression of mycorrhizal root colonization at high phosphate status is most likely due to a repression of the phosphate starvation responses and the loss of beneficial responses in mycorrhizal shoots. These findings provide a new basis for investigating the regulatory network leading to cellular reprogramming during interaction between plants, arbuscular mycorrhizal fungi and different phosphate conditions.