Enhancing disease resistance against microbial pathogens by expression of Et-AMPs in Arabidopsis plants

Abstract

The aim of the study was to detect the potency of the novel insect antimicrobial peptidesEt-AMP1 and Et-AMP2 derived from drone fly Eristalis tenax to engineer diseaseresistance in the model plant Arabidopsis thaliana against the fungal pathogen grey moldBotrytis cinerea and the bacterial pathogen Pseudomonas syringae pv. tomato strainDC3000. For the first antimicrobial peptide (Et-AMP1), a protocol for the production ofrecombinant protein in E. coli expression system was established by inserting the sequencefor mature Et-AMP1 peptide in frame downstream of the pEXp5-CT/Topo expressionvector. The recombinant protein was evaluated in vitro as to its effects on the devastatingphytopathogen Fusarium culmorum by using spore germination inhibition assays. Resultsof this assay exhibited a weak effect with an inhibition percentage about 10.5% against thisplant pathogenic fungus with the maximum concentration of produced recombinant protein(0.9 μM).Both antimicrobial peptides (Et-AMP1 and Et-AMP2) were introduced into Arabidopsisplants via Agrobacterium-mediated transformation. After the production of transgenicArabidopsis plants, in vitro antifungal assays were carried out by using T3 plants forevaluating their resistance against the fungal pathogens B. cinerea and the bacterialpathogen P. syringae. Our results show that Et-AMP1 transgenic plants did not exhibitresistance against B. cinerea. In contrast, these plants were more resistant to P. syringae,especially lines 5, 3, 7 and 2. On the other hand, the Et-AMP2 transgenic plants wereresistant both to B. cinerea and P. syringae. Lines 1, 5 and 4 reduced significantly thenecrotic lesion size caused by B. cinerea pathogen. Lines 1, 2 and 5 were more resistant toP. syringae infection. Subsequently, further research is required to identify the potential ofEt-AMP1 and Et-AMP2 for plant protection approaches. Diese Studie soll die Potenziale der neuartigen antimikrobiellen Peptide Et-AMP1 und Et-AMP2 von der Mistbiene Eristalis tenax untersuchen, um Resistenz gegen das pilzlichePathogen Botrytis cinerea (Grauschimmel) und das bakterielle Pathogen Pseudomonassyringae pv. tomato Stamm DC3000 in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana zuerzeugen. Zuerst wurde für das antimikrobielle Peptid Et-AMP1 ein Protokoll für dieProduktion von rekombinanten Protein in dem E. coli Expressionssystem durch Insertionder Et-AMP1-Sequenz in den Expressionsvektor pEXp5-CT/Topo erstellt. Der Effektdieses rekombinanten Proteins wurde in vitro gegen den phytopathogenen Pilz Fusariumculmorum in einem Sporenkeimungs-Hemmungstest evaluiert.Die Ergebnisse dieses Tests zeigen eine schwache Hemmung (ca 10,5%) derSporenkeimung durch 0,9 μM dieses Proteins.Arabidopsis-Pflanzen wurden mit den Sequenzen beider antimikrobielle Peptide (Et-AMP1 und Et-AMP2) mittels Agrobacterium tumefaciens transformiert. Danach wurdemit den transgenen Pflanzen (T3-Generation) in vivo-Assays zur Ermittlung ihrerResistenz gegen das Pilzpathogen B. cinerea und den bakteriellen Erreger P. syringaedurchgeführt.Et-AMP1 transgenen Pflanzen zeigten keine erhöhte Resistenz gegen B. cinerea, imGegensatz dazu wurde eine deutliche Resistenzsteigerung gegen P. syringae vor allem inden transgenen Linien 5, 3, 7 und 2 festgestellt. Die Et-AMP2 transgenen Pflanzen warenresistenter gegen B. cinerea und P. syringae im Vergleich zu den Wildtyp-Pflanzen. Dietransgenen Linien 1, 5 und 4 zeigten eine signifikante Verringerung der nekrotischenLäsionen, die von B. cinerea verursacht werden. Die Linien 1, 2 und 5 waren außerdemresistenter gegen P. syringae.Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um das Potenzial der Peptide Et-AMP1 und Et-AMP2 für Pflanzenschutzansätze zu ermitteln.