Tracking the cellular reprogramming of Sinorhizobium meliloti during transcellular root hair infection of Medicago truncatula
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Philipps-Universität Marburg
Abstract
Rhizobien treten mit Leguminosen in Symbiose, indem sie Stickstoff für die Wirtspflanze fixieren. Dies geschieht in spezialisierten Wurzelorganen, den Knöllchen. Die Etablierung dieser Interaktion erfordert einen präzisen molekularen Austausch zwischen den Partnern, bevor Rhizobien die sich entwickelnden Knöllchen infizieren können. In den meisten Fällen infizieren Rhizobien ihre Wirtpflanze über eine tunnelartige Struktur, den Infektionsfaden, der in den Wurzelhaaren initiiert wird. Obwohl die zelluläre und molekulare Reprogrammierung von Rhizobien in Knöllchen gut untersucht wurde, ist über die bakterielle Reprogrammierung während der Wurzelhaaren-Infektion wenig bekannt. Diese Dissertation stellt neue molekulare Werkzeuge vor, mit denen die Promotoraktivität und Proteinakkumulation von Rhizobium (Sinorhizobium meliloti) während der Wurzelhaaren-Infektion der Modellleguminose Medicago truncatula in vivo mittels fluoreszierender konfokaler Mikroskopie dynamisch verfolgt werden können (Kapitel II). Mithilfe einiger dieser Werkzeuge zeigt diese Arbeit, dass die Zellproliferation von S. meliloti während der transzellulären Wurzelhaaren-Infektion räumlich und zeitlich dynamisch ist und dass diese Dynamik mit dem Entwicklungsstatus des Infektionsfaden verknüpft ist (Kapitel III). Anschließend wurden diese Werkzeuge in Kolokalisationsstudien mit M. truncatula-Mutanten eingesetzt, die in der Infektionsfaden-Entwicklung beeinträchtigt sind. Dabei konnte gezeigt werden, dass diese Dynamik von der Wirtpflanze beeinflusst wird und mit Veränderungen in der Nährstoffverfügbarkeit sowie mit spezifischen Zellwandmodifikationen während der Infektionsfaden-Entwicklung zusammenhängt. Diese Zusammenhänge geben neue Einblicke, wie Rhizobien in frühen Infektionsstadien mit ihrer Wirtpflanze interagieren.
Rhizobia enter into symbiosis with legumes in specialized root organs called nodules where they fix nitrogen for their host. Establishing this interaction requires precise molecular exchanges between partners before rhizobia can colonize developing nodules, which occurs in most cases via a tunnel-like compartment called the infection thread (IT) which initiates in root hairs (RHs). While the cellular and molecular reprogramming of rhizobia has been well studied in nodules, very little is known about the bacterial reprogramming occurring during RH infection. This thesis presents new molecular tools to dynamically track rhizobial (Sinorhizobium meliloti) promoter activities and protein accumulation in vivo during RH infection of model legume Medicago truncatula using fluorescent confocal microscopy (Chapter II). Using some of these tools, this work shows that S. meliloti cell proliferation is spatiotemporally dynamic during early stages of transcellular RH infection and that these dynamics are linked to the developmental status of the IT (Chapter III). These tools were then used in co-localization studies in M. truncatula mutants impaired in IT development to demonstrate that these dynamics are under the influence of the host and linked to shifts in nutrient availability and specific cell-wall modifications occurring during IT development. These connections give new insight into how rhizobia interact with their host during early stages of infection.
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