Comparative and translational analysis of immune signaling pathways in Arabidopsis and Solanaceae

Abstract

Pflanzliche, intrazelluläre NLR-Immunrezeptoren können Effektorproteine erkennen, die von pathogenen Mikroben in das Zytoplasma pflanzlicher Zellen sekretiert werden. Eine Hauptklasse der NLRs besitzt eine N-terminale TIR-Domäne (TNLs). Für eine Immunaktivierung durch TNLs sind EDS1-basierende Heterokomplexe essentiell. Die präzise Rolle der EDS1-Heterokomplexe in der Immuninduktion und/oder Signalweiterleitung ist bislang nicht verstanden. In dieser Arbeit wurde Nicotiana benthamiana (Nb; Solanaceae) als neuer Modellorganismus etabliert, um die Funktionen des Lipase-ähnlichen Proteins EDS1 zu analysieren und um die pflanzlichen Immunsignalwege zwischen Arabidopsis thaliana (At; Brassicaceae) und Nb zu verglichen. EDS1-basierete Heterokomplexe benötigen zwei Proteinen unterschiedlicher phylogenetischer Herkunft, für eine Immunreaktion PAD4 in At bzw.SAG101 in Nb. Dies deutet auf eine Koevolution von EDS1-Komplexen mit zusätzlichen Wirtsfaktoren hin, wahrscheinlich Proteininteraktoren. Ferner gibt es Hinweise auf eine vorherrschende Rolle des EDS1-SAG101 Komplexes in der pflanzlichen Immunität, wie in Nb beobachtet.

Plant intracellular immune receptors of the NLR-type can detect effector proteins, which are secreted into the plant cell cytoplasm during the infection process by pathogenic microbes. One major subclass of NLRs, termed TNLs, contain an N-terminal TIR domain. The induction of immune responses by TNLs critically depends on presence of heterodimeric complexes based on the lipase-like protein EDS1. However, the precise role of EDS1 complexes in immune induction and/or signal transduction remains unknown. In this work, Nicotiana benthamiana (Nb; Solanaceae) was established as a new model system for the analysis of EDS1 functions, and immune signaling pathways were compared between Arabidopsis thaliana (At; Brassicaceae) and Nb. Intriguingly, heterocomplexes of EDS1 with either PAD4 or SAG101, two EDS1-interacting proteins of distinct phylogenetic origins, function in immune signaling in At or Nb, respectively. This suggests co-evolution of EDS1 complexes with additional host factors, most likely protein interactors. Furthermore, evidence is provided for a prevalent role of EDS1-SAG101 in immune signaling, as observed in Nb.