Fragaria defence mechanisms and domestication of wild resistance genes

Både dyrkede og ville planter er utsatt for infeksjoner av mikroorganismer, såkalt patogener, som gir sykdom. Dette er både av stor vitenskapelig og økonomisk interesse. Infeksjoner involverer svært komplekse biologiske mekanismer som omfatter mange genprodukter og signalhendelser i planta og patogenet. Nøkkelen til å bekjempe sykdom er å forstå de molekylære mekanismene som ligger til grunn for sykdomsutvikling, og det er viktig å vurdere både patogenet og planta som ett system (patosystemet). Prosjektet FragDef fokuserer på jordbærplanta og dens nære slektninger, samt en av de mest ødeleggende patogenene i jordbærdyrking, Phytophthora cactorum, som gir rotstokkråte. Dette patogenet gir sykdom som forårsaker store økonomiske tap og som i dag ofte bekjempes ved bruk av plantevernmidler, med potensiell negativ effekt for miljø og mennesker. En av de beste og mest miljøvennlige måtene å bekjempe plantesykdommer på er å bruke resistente sorter. Det finnes gode resistensegenskaper hos enkelte sorter, men dessverre er mange av de vanlige sortene mottagelige for sykdom. Målet med prosjektet er å utforske patosystemet for å frembringe grunnleggende ny innsikt i samspillet mellom planta og patogenet. Ved hjelp av moderne omics-teknologier, som har både høy oppløsning og hastighet, kan man avsløre nye aspekter ved krigføringen mellom planter og deres angripere, som til slutt kan hjelpe til med å bekjempe sykdom i planter. Vår ambisjon i prosjektet er å flytte plante-patogen-interaksjonsstudier fra den genetisk relativt enkle modellplanta markjordbær til den langt mer kompliserte oktoploide hagejordbærplanta, blant annet ved å bruke to ville oktoploide foreldrearter av hagejordbær som mellomledd. Vi har mottatt frø av ville oktoploide jordbær fra en amerikansk genbank (USDA) og etter omfattende bearbeiding av disse produsert utløperplanter fra ca 100 forskjellige spiredyktige varianter av jordbærplantene. Plantene har deretter blitt testet for resistens mot P. cactorum i totalt 5 forsøk med til sammen mer enn 1300 enkeltplanter. Genomet til de forskjellige jordbærvariantene har også blitt analysert vha et 50K SNP-array, som gir en oversikt over genetisk variasjon på 50.000 posisjoner i genomet til de forskjellige ville jordbærvariantene, og deretter analysert ved hjelp av genomvide assosiasjonsstudier (eng. GWAS). En enkelt SNP (enbasevariasjon) som er signifikant korrelert med resistens ble funnet på kromosom 7B. De ville varianter med mest resistens har nylig blitt krysset med mottagelige sorter av hagejordbær og venter på frødannelse. Videre har metoder for mikroskopiske/molekylære undersøkelser av infeksjonsprosessen blitt etablert, både for å studere gener uttrykt av planta og av patogenet. Det er samlet materiale fra ulike infeksjonstidspunkt av krone og hovedrøtter av jordbærsorter med ulik motstandsdyktighet, til både mikroskopiundersøkelse og analyse av resistensgenkandidater. Foreløpige observasjoner tyder på endringer i celleveggene i nærheten av infeksjonsområdet. Dette kan være prosesser knyttet til forsvarsmekanismer som hypersensitiv respons (celledød), men også til celleveggforsterkning slik som papilladannelse eller lignifisering. Det er imidlertid vanskelig å angi om dette er knyttet til forskjeller i motstandsdyktighet. Når det gjelder infeksjonsprosess har vi observert spirende sporer og appressoriumlignende strukturer på overflate av (kunstig) infisert krone og røtter. Nytt materiale fra jordbærsorter med forventet større forskjeller i motstandsdyktighet vil undersøkes i vårt videre arbeid. På patogensiden har vi undersøkt 40 RXLR-effektorproteiner for å finne ut hvordan de påvirker infeksjon, og funnet at minst åtte av disse har en effekt på infeksjonsprosessen. Fem av effektorene utløser celledød når de uttrykkes transient i modellplanten Nicotiana benthamiana. Slik celledød er en del av plantas forsvarssystem og bidrar ofte til å begrense eller stoppe infeksjon på bekostning av plantas egne celler på infeksjonsstedet. Celledødresponsen viser at effektorene gjenkjennes av planta. En av de åtte effektorene gir en økning i celledød som er indusert av andre celledødinduserende effektorer, noe som kan være fordelaktig for patogenets virulens, mens to av de er i stand til å undertrykke celledød, dvs hemmer plantas forsvarsrespons, som indikerer at de kan ha en svært viktig rolle i infeksjon. Ved å skru ned uttrykk av de tre sistnevnte effektorer i patogenet under infeksjon av jordbærblader (vha såkalt ds-RNA-silencing), ble patogenets evne til infeksjon sterkt redusert. Dette viser at disse tre sistnevnte effektorproteiner har viktige roller i infeksjon og sykdomsutvikling i jordbærplanter.

Infections of plants by microbial pathogens are of great scientific and economic interest. Such infections involve highly complex biological mechanisms comprising many gene products and signalling events in the host plant and its parasite. Basic research using modern high-throughput technologies can reveal novel aspects of the fascinating warfare between plants and their attackers and may eventually help in controlling plant disease. We are particularly interested in strawberry and its close relatives in the genus Fragaria, which are infected by the eukaryotic notorious plant pathogen Phytophthora cactorum. With full genome information at hand for many Fragaria species as well as the pathogen, we will study this pathosystem using several approaches. Our ambition is to move plant-pathogen-interaction studies from the diploid model level to the far more complicated octoploid strawberry crop plant, bridging this process by using two wild octoploid ancestors as well as the diploid progenitor that has provided the most dominant subgenome in the octoploid strawberry. Moreover, we will domesticate wild resistance genes by interspecies hybridizations between wild ancestors and modern cultivars, aided by high-throughput genotyping techniques. To complement these techniques, we will develop phenotyping techniques using sensors and machine learning. The project is a collaboration between renown experts working on molecular aspects of Phytophthora infections, plant genetics, protein biochemistry and artificial intelligence, the joint goal being to explore our pathosystem to generate fundamentally novel molecular insights into plant-pathogen interactions.