The Role of PR1 Gene in Resistance Mechanism to Bacterial Canker and Wilting Disease in Promising Tomato Mutant Plants

Öz

Tomato is among the most widely produced and consumed vegetable crops not only in Turkey but also in the world. During production of tomato, there are several fungal, bacterial and viral pathogens causing diseases on the valuable vegetable plant. Among them, bacterial canker and wilting pathogen makes significant crop losses in tomato plants. To control such bacterial pathogen, developing resistant varieties is an effective method where M3-9 and M3-15 mutant plants produced by ethyl methanesulfonate (EMS) chemical mutation from NCEBR3 cultivated tomato line. To date, there is neither resistant plant to bacterial canker and wilting pathogen nor effective biological control agents known. In this study, we aim to reveal accumulation of Pathogenicity Related-1 (PR1) gene which has an important role in resistant M3-9 and M3-15 mutant plants is working under resistant gene(s). Studies have unrevealed that the PR1 gene encodes PR1 proteins in M3-9 and M3-15 mutant plants from inoculation to 5th days post inoculation, however, a little PR1 protein accumulation was detected in susceptible original NCEBR3 plants where PR1 protein was not enough to prevent bacterial canker and wilt pathogen. These results indicate resistant gene(s) have resistance mechanisms where PR1 gene and their encoded PR1 proteins accumulated in the two promising mutant plants. Resistance gene mapping studies have been continuing to clone resistance gene and its signaling pathways. The cloned resistance gene(s) will genetically enable to control such important bacterial pathogen causes bacterial cancer and wilting disease on tomatoes. All collected data encourage that the most appropriate method to control bacterial cancer and wilt disease is to develop genetically resistant tomato plants. Producing genetically resistant tomato varieties is long-term process, and the promising resistant tomato plants are created by reverse genetics.

Anahtar Kelimeler

• Real-Time PCR
• Molecular
• cDNA
• Pathogenesis related proteins
• pathogen
• genetic
• RNA

Bakteriyel Kanser ve Solgunluk Hastalığına Dayanıklı Ümitvar Domates Mutantlarında PR1 Geninin Dayanıklılık Mekanizmasındaki Rolü

Öz

Domates Dünya’da ve Türkiye’de en çok üretilen ve tüketilen sebze bitkileri arasındadır. Domates bitkisi bu kadar çok üretilmesinin yanında yetiştiriciliği esnasında birçok fungal, bakteriyel ve viral hastalık etmenlerinin olumsuz etkilerine maruz kalmaktadır. Bu etmenlerden en önemlileri arasında bulunan bakteriyel kanser ve solgunluk hastalığına neden olan patojen domates bitkilerinde önemli ürün kayıplarına sebebiyet vermektedir. Hastalıkla mücadelede etkin bir yöntem dayanıklı çeşit geliştirmektir. Hastalığa dayanıklı kültür domates çeşitlerinin olmaması nedeniyle NCEBR3 kültür domates hattı ethyl methanesulfonate (EMS) kimyasal mutasyonuna uğratılarak M3-9 ve M3-15 mutant bitkileri hastalığa dayanıklı olarak bulunmuştur. Bu çalışmayla mutant bitkilerdeki dayanıklılığı sağlayan mekanizmalar arasında önemli bir rolü olan Patojenisite ile İlgili (PR1) geninin M3-9 ve M3-15 mutant dayanıklı bitkiler üzerindeki üretimini ortaya koymak için Real-Time PCR analizleri yapılmıştır. Dayanıklılık mekanizması içerisinde üretilen PR1 geni ve bu genin kodladığı proteinler mutant bitkilerde inokulasyondan sonraki 5. güne kadar çok miktarda oluştuğu, buna karşın hassas NCEBR3 bitkilerinde PR1 geni ve onun kodladığı PR1 proteininin üretiminin kısıtlandığı bulunmuştur. Hassas orijinal NCEBR3 bitkilerinde PR1 genin gecikmeli üretilmesi nedeniyle bakteriyel hastalık etmeni kolonize olurken dayanıklı M3-9 ve M3-15 bitkilerinde inokulasyondan itibaren üretilen PR1 geni bakteriyel hastalık etmeninin kolonizasyonunu engellemektedir. Yapılan çalışmalar dayanıklılıktan sorumlu gen(ler)in altında bulunan PR1 geni ve bu genin ürettiği PR1 proteinlerinin iki mutant bitkide dayanıklılığı sağladığını göstermektedir. Dayanıklılığı sağlayan gen(ler)in haritalanması ve sinyal yolaklarının aydınlatılması çalışmaları hala devam etmektedir. Dayanıklılık gen(ler)i klonlanmasıyla bakteriyel kanser ve solgunluk hastalığının genetik kontrolü mümkün olacaktır. Eldeki veriler bakteriyel kanser ve solgunluk hastalık etmeninin mücadelesinde en uygun yöntemin genetik olarak dayanıklı domates bitkileri üretmek olduğunu göstermektedir. Genetik olarak dayanıklı domates çeşitleri üretmek uzun soluklu bir süreç olup bu çalışmada elde edilen ümitvar domates çeşitleri ters genetik yöntemiyle oluşturulmuştur.

Anahtar Kelimeler

• PR1 proteini
• Real-Time PCR
• Moleküler
• cDNA
• Patojen
• Genetik
• RNA

Kaynakça

1. Agrios, G. N. (2007). Plant Pathology. Fifth Edition Elvesier Academic Press, London
2. Alvarez, A. M. (2004). Integrated approaches for detecion of plant pathogenic bacteria and characterization of a codominant marker linked to root-knot nematode resistance and diagnosis of bacterial diseases. Annal Reviews of Phytopathology 42: 339-366
3. Anonim (2021a). Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), http://www.faostat.fao.org, (Erişim tarihi: 24.02.2021)
4. Anonim (2021b). Türkiye İstatistik Kurumu (TÜİK), http://www.tuik.gov.tr, (Erişim tarihi: 24.02.2021)
5. Anonim (2014a). Qiagen Rneasy Plant Mini Kit Quick Start Protocol, http://www.qiagen.com/handbooks, (Erişim tarihi: 16.02.14)
6. Anonim (2014b). Takara Bio Inc. Primescript Reverse Transkriptase Protocol, http://www.clontech.com/takara/NL/Products, (Erişim tarihi: 08.03.2014).
7. Anonim (2014c). Bio-Rad SYBR Green Real-Time PCR Mixture Preparation and Thermal Cycling Protocol, http://www.bio-rad.com, (Erişim tarihi: 08.09.14).
8. Bayan, Y. (2011). Domates bakteriyel kanser hastalığı (Clavibacter michiganensis subsp. michiganensis)’na dayanıklı ve hassas bitkilerde fenolik maddelerin araştırılması. (Yüksek Lisans Tezi) Gaziosmanpaşa Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Tokat

9. Bergüzar, S., Yanar, Y. ve Aysan Y. (2018). Tokat ilinde domates bakteriyel solgunluk hastalığı'nın (Clavibacter michiganensis subsp. michiganensis) epidemiyolojisi. Tekirdağ Ziraat Fakültesi Dergisi 15(03) 9-16
10. Çalış, Ö., Bayan, Y. ve Çelik, D. (2012). Characterization of resistant tomato mutants to bacterial canker disease. African Journal of Biotechnology Vol 11, No:32.
11. Çalış, Ö., Saygı, S., Çelik, D. ve Bayan, Y. (2013). Domates bakteriyel kanser ve solgunluk hastalığına dayanıklılık ve ters genetik. Akdeniz Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi 26(1): 5-10
12. Çetinkaya-Yıldız, R. (2007). Domates bakteriyel solgunluk hastalığı etmeni (Clavibacter michiganensis subsp. michiganensis (smith) davis et. al.)’nin tanılanması ve bitki büyüme düzenleyici rizobakteriler ile biyolojik mücadele olanaklarının araştırılması.(Doktora Tezi) Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Adana
13. Dorak, M. T. (2006). Real-Time PCR. Taylor and Francis Group MPG Books Limited, Cornwall
14. Karut, Ş. T., Horuz, S. ve Aysan, Y. (2019). Domates bakteriyel kanser ve solgunluk hastalığı etmeni Clavibacter michiganensis subsp. michiganensis’ in tohumda aranması ve farklı tohum uygulamalarının hastalık gelişimi üzerine olan etkisinin belirlenmesi. Tekirdağ Ziraat Fakültesi Dergisi 16(3) 285-296
15. Nash, A. F. ve Gardner, R. G. (1988). Tomato early blight resistance in a breeding line derived from Lycopersicon hirsutum P. I. 126445. Plant Disease 72: 206-209
16. Osbourn, A. (2010a). Secondary metabolic gene clusters: evolutionary toolkits for chemical innovation. Trends in Genentics 26: 449-457
17. Osbourn, A. (2010b). Gene clusters for secondary metabolic pathways: an emerging theme in plant biology. Plant Physiology 154: 531-535
18. Robert-Seilaniantz, A., Navarro, L., Bari, R. ve Jones, J. D. G. (2007). Pathological hormone imbalances. Current Opinion in Plant Biology 10: 372-379
19. Uknes, S., Mauch-Mani, B., Moyer, M., Potter, S., Williams, S., Dincher, S., Chandler, D., Slusarenko, A., Ward, E. ve Ryals, J. (1992). Acquired resistance in Arabidopsis. American Society of Plant Physiologists The Plant Cell 4: 645-656
20. Yun, B. W. ve Loake, G. J. (2002). Plant defence responses: current status and future exploitation. Journal of Plant Biotechnology 4:1-6
21. Wang, W., Devoto, A., Turner, J. G. ve Xiao, S. (2007). Exression of the membrane-associated resistance protein RPW8 enhances basal defence against biotrophic pathogens. Molecular Plant-Microbe Interactions 20: 966-976
22. Xiao, S., Ellwood, S., Calis, O., Patrick, E., Li, T., Coleman, M. ve Turner, J. G. (2001). Broad- Spectrum mildew resistance in Arabidopsis thaliana mediated by RPW8. Science 5501: 118-120
23. Xiao, S., Brown S., Patrick, E., Brearley, C. ve Turner, J. G. (2003). Enhanced transcription of the Arabidopsis disease resistance genes RPW8.1 and RPW8.2 via a Salicylic Acid dependent amplification circuit is required for hypersensitive cell death. American Society of Plant Biologists The Plant Cell 15: 33-45
24. Xiao, S., Calis, O., Patrick, E., Zhang, G., Charoenwattana, P., Muskett, P., Parker, J. E. ve Turner, J. G. (2005). The atypical resistance gene RPW8 recruits components of basal defence for powdery mildew resistance in Arabidopsis. Plant Journal 42: 195-110