Signal transduction pathways in the fungal wheat pathogen Fusarium graminearum

The filamentous ascomycete Fusarium graminearum is a highly organ specific pathogen that resides on small grain cereals like rice, wheat, and maize. Once the host plants are infected, crops yielded from them are unsuited for food and feed production. This is mainly due to massive mycotoxin accumulation but also due to reductions in grain development. The most devastating mycotoxins produced by F. graminearum are deoxynivalenol (DON) and zearalenone (ZEA). The signaling cascades that are necessary for pathogenicity and mycotoxin production as well as the external stimuli that trigger those cascades are yet not fully understood. Aim of this thesis was to analyse a complete signaling cascade starting at membrane-bound receptors down to a transcriptional response. Transmembrane receptors (TMRs) are specialized integral membrane proteins that perceive external signals and communicate them to intracellular heterotrimeric G‐protein‐signaling cascades. Thus, TMRs play a pivotal role in the adaptation of entities to environmental stresses. In this study I present a comprehensive functional characterization of seven TMRs of Fusarium graminearum. They are involved in numerous physiological functions and different signaling cascades in F. graminearum. It was found that TMR FGSG_01861 is involved in stress tolerance towards oxidative, osmotic, fungicide, temperature and cell wall stress. Two TMRs (FGSG_03023 and FGSG_02655) play roles in pathogenicity, DON production, lipase secretion and sexual reproduction (the latter only FGSG_02655). Another TMR (FGSG_05006) was necessary for utilization of poor carbon sources and the intracellular level of the second messenger cAMP. Three other TMRs (FGSG_07716, FGSG_05239 and FGSG_09693) did not provoke any obvious phenotype. Acting downstream in the signaling cascade there are several transcription factors and mitogen-activated protein kinases (MAPK). MAPK signaling is a ubiquitous and well preserved regulation system for nearly all developmental processes throughout all eukaryotic organisms in response to several external stimuli like biotic or abiotic stresses or hormones. As shown in this study, the stress-activated MAP-kinase FgOS-2 (S. cerevisiae HOG1p) as a central regulator in the life cycle of F. graminearum. It is involved in nearly all developmental processes, such as perithecia formation, oxidative and osmotic stress tolerance, fungicide resistance, virulence, metabolism of reactive oxygen species (ROS) and secondary metabolite production, including mycotoxins. The results also highlight the possibility that the diverse physiological functions controlled by FgOS-2 are executed through the regulation of ROS. Functional characterization of the putative downstream target of FgOS-2, the ATF/CREB activating transcription factor Fgatf1, revealed that it plays a pivotal role in stress adaptation, secondary metabolism, sexual reproduction and virulence towards wheat and maize. Moreover, under stress conditions, Fgatf1 and FgOS-2 physically interact in the nucleus. Furthermore, results obtained from overexpression experiments indicate that Fgatf1 is the main downstream target of FgOS-2. Taken together, the results obtained in the course of this thesis, help to develop a signaling network starting from the signal perception and ending in the physiological response of the fungus to the environmental cues executed by the action of MAP-kinases and transcriptional regulators. Elaboration of such signaling cascades will most likely help to understand the molecular basis of pathogenicity and mycotoxin production and facilitates the invention of counter measures against this devastating plant pathogen. Der filamentose Ascomycet Fusarium graminearum ist ein organspezifischer Schadling auf kleinkornigen Getreidesorten wie z.B. Reis, Weizen und Mais. Infizierte Wirtspflanzen sind fur die Nahrungs-und Futtermittelproduktion ungeeignet. Dies liegt zum einen in der massiven Akkumulation von Mykotoxinen aber auch an einer Verkurzung der Kornentwicklung begrundet. Die prominentesten Mykotoxine, die von F. graminearum produziert werden, sind Deoxynivalenol (DON) und Zearalenon (ZEA). Die Regulation von Signalkaskaden, die fur die Pathogenitat und die Mykotoxin-Produktion sowie fur die Perzeption auserer Reize verantwortlich sind, ist noch nicht vollstandig verstanden. Ziel dieser Arbeit war es, eine komplette Signalkaskade beginnend bei membrangebundenen Rezeptoren bis hin zu einer transkriptionellen Antwort zu analysieren. Transmembran-Rezeptoren (TMRs) sind spezialisierte, integrale Membranproteine, die externe Signale wahrnehmen und sie an intrazellulare heterotrimere G-Protein-Signalkaskaden weiterleiten. TMRs spielen eine entscheidende Rolle bei der Anpassung von Organsimen an wechselnde Umweltbedingungen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die umfassende funktionelle Charakterisierung von insgesamt sieben TMRs von F. graminearum. Die Untersuchungen ergaben, dass diese Proteine an zahlreichen physiologischen Funktionen und verschiedenen Signalkaskaden in F. graminearum beteiligt sind. Es wurde festgestellt, dass TMR FGSG_01861 involviert ist in die Stresstoleranz gegenuber oxidativem, osmotischem, Fungizid-, Temperatur-und Zellwandstress. Zwei TMRs (FGSG_03023 und FGSG_02655) spielen eine Rolle in der Pathogenitat, DON Produktion, Lipase-Sekretion und sexuellen Fortpflanzung (letztere nur FGSG_02655). Ein weiterer TMR (FGSG_05006) war notwendig fur die Nutzung bestimmter Kohlenstoffquellen und die Regulation intrazellularer Level des sekundaren Botenstoffs cAMP. Die Deletion dreier weiterer TMRs (FGSG_07716, FGSG_05239 und FGSG_09693) ergab keinen offensichtlichen Phanotyp. In der Signalkaskade abwarts befinden sich mehrere Transkriptionsfaktoren und Mitogen-aktivierte Proteinkinasen (MAPK). MAPKs sind ubiquitare und konservierte Regelsysteme fur nahezu alle Entwicklungsprozesse in allen eukaryotischen Organismen. Ihre Aktivitat wird in Reaktion auf externe Stimuli wie biotischen oder abiotischen Stress oder Hormone moduliert. In der vorliegenden Arbeit wird die stress-aktivierte MAP-Kinase FgOS-2 (S. cerevisiae HOG1p) als zentralen Regulator im Lebenszyklus von F. graminearum beschrieben. Sie ist an der Regulation fast aller Entwicklungsprozesse wie Perithecienbildung, Stresstoleranz, Fungizidresistenz, Virulenz, Metabolismus reaktiver Sauerstoffspezies und Sekundarstoffproduktion, einschlieslich der Mykotoxine, beteiligt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die vielfaltigen, durch FgOS-2 gesteuerten Prozesse, durch die Regulierung intrazellularer ROS-Level gesteuert werden. Die funktionelle Charakterisierung eines putativen targets von FgOS-2, des ATF/CREB Transkriptionsfaktors Fgatf1, ergab, dass dieser eine zentrale Rolle bei der Stressanpassung, dem sekundaren Stoffwechsel, der sexuellen Reproduktion und der Virulenz spielt. Unter Stressbedingungen interagieren Fgatf1 und FgOS-2 physisch miteinander. Daruber hinaus belegen Uberexpressionsexperimente, dass Fgatf1 ein target stromabwarts von FgOS-2 ist. Zusammengenommen zeichnen die Ergebnisse dieser Arbeit erhalten wird ein komplexes Bild eines Signaltransduktionsnetzwerks ausgehend von der signalwahrnehmung bis hin zur physiologischen Reaktion des Pilzes auf wechselnde Umweltreize. Die Mitwirkung von MAP-Kinasen und transkriptionellen Regulatoren wird dargelegt. Die Aufklarung solcher Signalnetzwerke wird helfen, die molekularen Grundlagen der Pathogenitat und Mykotoxin-Produktion zu verstehen. Die Kenntnis hiervon wird die Suche nach geeigneten Gegenmasnahmen gegen dieses verheerende Pflanzenpathogen begunstigen.