A barley gene cluster for the biosynthesis of diterpenoid phytoalexins

Abstract

Phytoalexins, which are specialized metabolites, contribute to chemical defense of plants against pathogens. We characterized a biosynthetic gene cluster in barley that is responsible for the production of a group of labdane diterpenoids, with the backbone named hordediene. Infection of barley roots by the fungal pathogen Bipolaris sorokiniana (Bs) induces their production and secretion. Using heterologous expression in yeast and Nicotiana benthamiana, we can produce and structurally characterize several hordediene derived diterpenoids, including the most abundant one referred to as 21. Barley mutants lacking the diterpene synthase are unable to produce these diterpenoids and, surprisingly, show reduced colonization by Bs. The growth of Bs is only negligibly affected by 21 while other pathogenic fungus, Fusarium culmorum is inhibited. Bs can metabolize 21 to two distinct groups of derivatives. Consequently, our findings indicate Bs has developed adaptation mechanisms at the metabolite level to enhance colonization of barley roots.

Phytoalexine, die spezialisierte Metabolite sind, tragen zur chemischen Abwehr von Pflanzen gegen Pathogene bei. Wir haben einen biosynthetischen Gencluster in Gerste charakterisiert, der für die Produktion einer Gruppe von Labdan-Diterpenoiden verantwortlich ist, deren Grundstruktur als Hordedien bezeichnet wird. Die Infektion von Gerstenwurzeln durch den pilzlichen Pathogen Bipolaris sorokiniana (Bs) induziert deren Produktion und Ausschüttung in den Wurzelraum. Durch heterologe Expression in Hefe und Nicotiana benthamiana können wir mehrere aus Hordedien abgeleitete Diterpenoide herstellen und strukturell charakterisieren, einschließlich des am intensivsten vorkommenden mit der Bezeichnung 21. Gerstenmutanten, die die Diterpensynthase-Gene nicht besitzen, können diese Diterpenoide nicht produzieren und zeigen überraschenderweise eine verringerte Besiedlung durch Bs. Das Wachstum von Bs wird durch 21 nur vernachlässigbar beeinflusst, während ein anderer pathogener Pilz, Fusarium culmorum, gehemmt wird. Bs kann 21 in zwei verschiedene Gruppen von Derivaten metabolisieren. Folglich deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass Bs Anpassungsmechanismen auf der Metabolitebene entwickelt hat, um seine Besiedlung in Gerstenwurzeln zu verbessern.