Abstract:
Als sessile Organismen sind Pflanzen in besonderem Maße von Umwelteinflüssen betroffen, daher ist Stressadaption besonders wichtig für ihr Überleben. Im Gegensatz zu Tieren sind Pflanzen keine mobilen Organismen, jedoch besitzen sie fortschrittliche Verteidigungsmechanismen zur Akklimatisierung und Adaption an ihren jeweiligen Standort.
Wenn Pflanzen abiotischem oder biotischem Stress ausgesetzt sind, gibt es zwei mögliche Immunantworten: Bei ersterer handelt es sich um die sogenannte PAMP(Pathogen-assoziierte molekulare Muster)-triggered immunity PTI; die zweite ist die effector-triggered immunity ETI. ... mehrBei beiden Immunantworten gibt es viele ähnliche Prozesse und Moleküle, wie beispielsweise den MAP-Kinase-Weg (engl. mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascade), den oxidativen Burst (engl. reactive oxygen species (ROS) burst), verschiedene Phytohormone, und darüber hinaus auch eine ähnliche Expression von pflanzlichen Verteidigungsgenen. Dennoch sind verschiedene Effekte, die auf zeitliche und räumliche Unterschiede zurückgehen, zu beobachten.
Auf der Grundlage der Ergebnisse wird in der vorliegenden Arbeit ein neues Modell für einen Signalweg der pflanzlichen Immunantwort präsentiert. Dieses unterscheidet sich von PTI, da kein sogenannter Calcium Influx benötigt wird. Es unterscheidet sich auch von ETI, denn bei dem hier vorgestellten Signalweg wird kein programmierter Zelltod induziert. Der hier präsentierte Signalweg kann mit Hilfe von Aluminium-Ionen aktiviert werden.
Unter Verwendung einer Zellkultur der nordamerikanischen Wildrebe Vitis rupestris und einer transgenen Zelllinie von V. vinifera ‘Chardonnay’, welche den fluoreszierenden Aktin-Marker GFP-AtFABD2 exprimiert, zeigen sich in Kombination von Spinning-disc Mikroskopie und Inhibitor Studien Ergebnisse, welche darauf hindeuten, dass der neue Signalweg abhängig von Aktinfilamenten ist.
Der vorgestellte Weg setzt sich aus den nachfolgend aufgelisteten einzelnen Schritten zusammen, welche im Rahmen dieser Arbeit alle nachgewiesen wurden.
$\\$$\bullet$ Al3+ aktiviert die NADPH-Oxidase und erzeugt sogenannte reactive oxygen species (ROS).
$\\$$\bullet$ Die ROS dringen in die Zelle ein und induzieren einen Aktinumbau, der sich als Bündelung manifestiert.
$\\$$\bullet$ Der Umbau von Aktinfilamenten führt zur Aktivierung der MAPK -Signalübertragung.
$\\$$\bullet$ Dies führt wiederum zur Aktivierung von Transkriptionsfaktoren für Phytoalexine wie MYB14, gefolgt von der Aktivierung von Phytoalexinsynthesegenen.
$\\$$\bullet$ Isochorimatsynthase, ein Schlüsselgen des Salicylsäuresignals, wird ebenso wie PR1 aktiviert, was darauf hinweist, dass Al3+ zur Akkumulation von Salicylsäure führt.
$\\$$\bullet$ Al3+ induziert auch Markergene für mitochondriale retrograde Signale (AOX1a und NAC017).
$\\$$\bullet$ Die Wirkung von Al3+ auf die Salicylsäuresynthese und die Reaktionsgene können durch die auf Actin einwirkenden Verbindungen nachgeahmt werden.
$\\$Zusammenfassend konnte in dieser Studie ein neuer aktinabhängiger pflanzlicher Immunweg nachgewiesen werden. Um herauszufinden, ob die Aktivierung dieses Signalwegs die nachfolgende Immunantwort modulieren kann, wurden die molekularen und zellulären Reaktionen auf Harpin, einen bakteriellen Elicitor (bzw. Botenstoff) der Zelltod-bedingte Immunität auslöst, nach einer Vorbehandlung mit Aluminium untersucht. Diese Daten zeigen, dass Al3+ den programmierten Zelltod teilweise unterdrückt, was mit Veränderungen der Genexpression korreliert. Dies deutet darauf hin, dass der neue Signalweg die frühen Signalereignisse mit zelltodbedingter Immunität teilt, sich jedoch in einem Schritt stromabwärts des Aktin-Remodellierens unterscheidet.
Abstract (englisch):
As terrestrial organisms, plants are especially affected by environmental factors, so stress adaptation is crucial for their survival. As plants also lack a critical mode of defence possessed by animals, namely mobility, they have evolved advanced mechanisms for acclimation and adaptation.
When plants are exposed to abiotic or biotic stress, two tiers of innate immunity are presented: the first is pathogen-associated molecular pattern-triggered immunity (PTI); the second is effector-triggered immunity (ETI). The two tiers have many similar candidates in their signalling pathways, such as calcium influx, mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascades, reactive oxygen species (ROS) burst, phytohormones, and defence-gene expression. ... mehrHowever, due to spatial and temporal differences in the incidence of these signals, they have various effects. Based on my data, I propose a new immune pathway- It differs from PTI, because it does not require calcium influx, it differs from ETI because it does not culminate in programmed cell death. This pathway can be activated by aluminium. Using cell cultures from the North American Vitis rupestris, which can activate programmed cell death in response to pathogen, and a transgenic cell line of V.vinifera ‘Chardonnay’ expressing the fluorescent actin marker GFP-AtFABD2, the role of actin filaments in the new plant immunity signalling pathway was examined by a combination of inhibitor studies with spinning-disc microscopy and transcript measurements.
I provide evidence for the following events composing this pathway:
$\\$$\bullet$ Al3+ activates the NADPH oxidase generating reactive oxygen species (ROS).
$\\$$\bullet$ The ROS enter the cell and induce actin remodelling manifest as bundling.
$\\$$\bullet$ The remodelling of actin filaments leads to activation of MAPK signalling.
$\\$$\bullet$ This leads to activation of transcription factors for phytoalexins, such as MYB14, followed by activation of phytoalexins synthesis genes.
$\\$$\bullet$ Isochorismate Synthase, a key gene of salicylic acid signalling is activated, as well as PR1, indicating that Al3+ leads to the accumulation of salicylic acid.
$\\$$\bullet$ Al3+ also induces marker genes for mitochondrial retrograde signalling (AOX1a and NAC017).
$\\$$\bullet$ The effect of Al3+ on salicylic-acid synthesis and response genes can be mimicked by compounds acting on actin.
$\\$In summary, this study demonstrated and dissected a novel actin-dependent plant immune pathway. To explore, whether activation of this pathway has the potential to modulate subsequent immunity response, the molecular and cellular responses to Harpin, a bacterial elicitor inducing cell-death related immunity, was investigated following aluminium pretreatment. These data show that Al3+ partially suppressed programmed cell death, correlated with changes in gene expression. This indicates that the new pathway shares early signalling events with cell-death related immunity, but diverges at a step downstream of actin remodelling.
