Green leaf volatile Triggered Defense Signalling and Cell Death Mediated by Vitis Metacaspase 5

Es wird weitestgehend akzeptiert, dass Green Leaf Volatiles (GLVs) eine Schlüsselrolle im Priming Prozess und in der pflanzlichen Verteidigung gegen Schädlinge und Pathogene spielen. Ein Vertreter der GLVs, das cis-3-hexenal (Z-3-hexenal) aktiviert äußerst effizient den Abbau der Aktinfilamente gefolgt von Zelltod. Dies wurde sowohl in Weinblättern als auch in Tabak (BY-2) und Vitis Zellen, die einen fluoreszenten Aktin-Marker produzieren, beobachtet. Daher gehen wir davon aus, dass Z-3-hexenal einen spezifischen Signalweg aktiviert, der schlussendlich zu programmiertem Zelltod (engl. ... mehrPCD) führt.

PCD ist ein unentbehrlicher Prozess, der durch stringente intrazelluläre Programme reguliert wird. Die Kontrolle von PCD ist ein ausschlaggebend für die Fitness der Pflanzen, sollten diese extrinsischem Stress ausgesetzt sein. Hierfür sind die Metacaspasen (MCs), eine Familie von cystein-abhängigen Proteasen mit Caspase-ähnlicher Aktivität potenzielle Regulatoren. Sie sind in die, bei Verteidigungs-Reaktionen auftretende Hypersensitive Response (HR) involviert.

In dieser Arbeit charakterisierten wir die Vitis rupestris Metacaspase 5 (VrMC5). Sie war nicht nur in Cytoplasma und Nukleus zu finden, sondern co lokalisierte sich spezifisch mit Mikrotubuli. Heterologe Überexpression von VrMC5 in der BY2 Tabak Zelllinie offenbarte eine dramatische Erhöhung des durch Z-3-hexenal ausgelösten, Verteidigung assoziierten Zelltods. VrMC5 wird der Metacaspase Typ II Familie zugeordnet, welche zwingend für ihre Aktivierung eine intermolekulare Spaltung benötigen. Hier konnten wir einige mögliche Stellen zur Auto-Lysis identifizieren und entsprechende funktionelle Mutationen generieren, um die Rolle von VrMC5 in den von Z-3-hexenal aktivierten Signalwegen zu studieren. Durch die
Beobachtung der Aktivität der Rekombinanten von VrMC5 und deren Mutations-Varianten konnten Abhängigkeiten von Kalzium, der katalytischen Cys-139 und Spaltungsproteinstelle Arg-226 festgestellt werden. Des Weiteren konnte die äußere Anwendung von Jasmonsäure (JA) den Z-3-hexenal induzierten Zelltod in den VrMC5 Überexpressions-Linien reduzieren, indem die Salicylsäure-Synthese und der dazugehörige Signalweg unterdrückt wurde. Zusammen implizieren die Ergebnisse, dass VrMC5 HR-assoziierten Zelltod, ausgelöst durch Z-3-hexenal positiv reguliert und in den SA-Crosstalk involviert ist.

It is widely accepted that green leaf volatiles (GLVs) play a key role in plant defence responses to pathogens or herbivores and plants priming. One type of GLVs, cis-3-hexenal (Z-3-hexenal) is highly efficient in activating disassembly of actin followed by cell death. This has been observed both in tobacco BY-2 cells and Vitis cell expressing a fluorescent actin marker, as well as in real grape leaves. Therefore, we assumed that Z-3-hexenal triggers a specific signalling pathway leading to programmed cell death (PCD).

PCD is an indispensable process that is strictly controlled by an intracellular program. ... mehrThe regulation of PCD is crucial for the fitness of plants when encountering extrinsic stress. Here, potential regulators of this signalling, are metacaspases (MC), a family of cysteine-dependent proteases with caspase-like activity, which are involved in defence-related hypersensitive response (HR).

In this study, we characterized Vitis rupestris Metacaspase 5 (VrMC5). It not only locates in the cytoplasm and nucleus but specifically co-localizes with microtubules. Heterologous overexpression of VrMC5 in the BY-2 tobacco cell line exhibits a dramatic increase in defence-triggered cell death induced by Z-3-hexenal. VrMC5 belongs to the metacaspase type II family, which requires intermolecular cleavage of itself for activation. Here we predict a few autolysis sites in VrMC5 and generate functional mutations to study the role of VrMC5 in the Z-3-hexenal triggered signalling pathway. Meanwhile, the activity of the recombinants of VrMC5 and its variant-proteins are analyzed in vitro, revealing calcium-dependent protease activity of VrMC5. The catalytic site Cys-139, as well as cleavage site Arg-226 are essential for VrMC5 autolysis and activity. Furthermore, exogenous jasmonic acid (JA) application could inhibit Z-3-hexenal triggered-cell death in VrMC5 overexpressor by suppressing salicylic acid (SA) synthesis and responsive pathway. Taken together, these results indicate that VrMC5 positively regulates HR-related cell death induced by Z-3-hexenal and is involved in SA crosstalk.