Pathogenitätsfaktoren und induzierte Resistenz in der Interaktion von Orobanche ramosa L. und Nicotiana tabacum L.

Abstract

Parasitic weeds of the genus Orobanche, cause severe damage to vegetables, legumes and sunflower in Europe, the Middle East and North Africa. Recently there is evidence for increasing occurrence of branched broomrape (Orobanche ramosa L.) in rape and tobacco cultivars in France and Germany. This research concerns on biology and pathogenicity of O. ramosa with special focus on the interactions with the host plant. In addition mechanisms of induced resistance of the host plant against the parasite were considered. The results showed genetic differences between the populations of O. ramosa in Germany, which partially parasitize different hosts. As possible factors of pathogenicity the accumulation of reactive oxygen species and a high peroxidase activity together with a high antioxidative capacity caused by the phenylpropanoids Verbascosid and Oraposid were identified. The control of branched broomrape was possible by application of agents, which are described to induce disease resistance. Control of branched broomrape could be based on systemic acquired resistance (SAR) as well as on induced systemic resistance (ISR). As defense mechanisms in tobacco roots against O. ramosa the biosynthesis of the hydroxycoumarin scopoletin and a significant increase of soluble and bound phenolics was discussed. This is underlined by a high activity and an increased expression of phenylalanine ammonia-lyase (PAL) the key enzyme of the phenylpropanoid pathway. Beside phytoalexin production we recognized an increased activity of peroxidases in Orobanche ramosa infected tobacco roots. Further it could be shown that the plant hormone Ethylene as well as the regulation of the sugar metabolism have importance for the resistance of the host plant.

Die holoparasitische Blütenpflanze Orobanche ramosa L. verursacht in zunehmendem Maße Ertragsverluste in Kulturpflanzenbeständen gemäßigter und subtropischer Regionen. In Deutschland und Frankreich ist O. ramosa im Begriff, neue Gebiete zu besiedeln und könnte künftig stärker als bisher den Anbau von Tabak und Raps sowie anderer Kulturpflanzen beinträchtigen. Aus diesem Grund wurden Untersuchungen zur Biologie und Pathogenität von O. ramosa unter besonderer Berücksichtigung der Interaktionen mit ihren Wirten durchgeführt. Zudem war die Betrachtung induzierbarer Abwehrmechanismen gegen O. ramosa von Interesse. In der vorgelegten Studie konnte zunächst gezeigt werden, dass sich die in Deutschland vorkommenden Populationen von O. ramosa genetisch unterscheiden und sich durch ein teilweise unterschiedliches Wirtsspektrum auszeichnen. Als möglicher Pathogenitätsfaktor von O. ramosa wurde eine starke Akkumulation von reaktiven Sauerstoffspezies gefunden, die mit einer hohen Peroxidase-Aktivität und einer hohen antioxidativen Kapazität durch die Phenylpropanoide Verbascosid und Oraposid in Verbindung stand. Zur Erforschung der Abwehrmechanismen von Wirtspflanzen gegen O. ramosa wurden Resistenzaktivatoren an dem System Nicotiana tabacum/ O. ramosa erfolgreich getestet. Induzierte Resistenz gegen O. ramosa konnte sowohl durch eine Salicylsäure-abhängige systemisch erworbene Resistenz (SAR), als auch durch eine Jasmonat-abhängige induzierte systemische Resistenz (ISR) gefördert werden. Als Resistenzfaktoren gegen O. ramosa kommen die Phytoalexine Scopoletin und dessen Synthesevorstufe Scopolin, sowie das Alkaloid Nikotin in Frage, die in wenig anfälligen Tabaksorten in höheren Konzentrationen akkumuliert wurden als in anfälligen. Zudem zeigte die wenig anfällige Tabaksorte Z 992 höhere Phenolgehalte und eine gesteigerte Peroxidase Aktivität. Nach induzierter Resistenz gegen O. ramosa konnten zusätzlich eine gesteigerte Phenylalanin-Amonium-Lyase-Aktivität und die Expression der PR-Proteine Chitinase und Glukanase gemessen werden. Des weiteren konnte an transgenen Tabaklinien gezeigt werden, dass sowohl dem Pflanzenhormon Ethylen als auch dem Zuckerhaushalt eine Bedeutung bei der Anfälligkeit gegen O. ramosa zukommen kann.