Chitin signalling - A third defence pathway in grapevine

In Pflanzen existieren zwei Ebenen an Immunität gegenüber Pathogenen -eine basale, welche durch die sogenannten Pathogen-assoziierten molekulare Muster (PAMPs) ausgelöst wird und einem Großteil der Mikrobien gemein sind, sowie einer dieser übergeordneten, PAMPausgelösten Immunität, welche sich über einen Koevolutionsprozess zwischen Wirt und Pathogen spezifisch entwickelt hat und dadurch gegen ein sehr spezifisches Spektrum an Pathogenen effektiv ist.
Die Weinrebe ist die Nutzpflanze mit dem höchsten Ertrag pro Areal. Ihr Anbau ist jedoch durch einen enormen Einsatz an Pflanzenschutzmitteln, für den Kampf gegen mikrobielle Pathogene wie dem Falschen Mehltau (Downy Mildew) und dem Echten Mehltau (Powdery Mildew), geprägt. ... mehrIn Europa werden dadurch knapp 70 % an Fungiziden für den Weinbau eingesetzt. Das Züchten von resistenten Weinrebensorten war bislang eine erfolgreiche Strategie, um die ökologischen und ökonomischen Schäden zu reduzieren. Jedoch wurde hierfür immer ein einziger, resistenz-vermittelnder Genabschnitt über Introgression aus einer amerikanischen Weinrebe für die hiesigen Weinreben gewonnen. Der ökonomische Erfolg dieser neuen Varianten hat jedoch bereits eine weitere Runde an chemischer Kriegsführung zwischen Wirt und Pathogen eingeläutet.
Chitin, eine grundlegende strukturelle Komponente der pilzlichen Zellwand, ist gut als pathogen-assoziiertes molekulares Muster (PAMP) bekannt. In Pflanzen werden Pilze über die Erkennung von konservierten PAMPs erkannt und damit die Abwehr aktiviert. Diese geht einher mit einem Kalziumeinstrom in die Zelle, einer Mitogen-aktivierten Proteinkinasen (MAPK) Kaskade, Phytoalexin-Produktion, ROS-Bildung und Expression spezifischer verteidigungsrelevanter Gene. Jedoch treten diese molekularen Signale räumlich und zeitlich getrennt zueinander auf und es können verschiedene Signalkaskaden - je nach zugrundeliegendem Stresstyp - reguliert und aktiviert werden.
In unserem Labor wurden zuvor bereits die zellulären und molekularen Antwortmechanismen im Zuge der Verteidigung gegenüber eines der wichtigsten PAMPS, dem bakteriellen Flagellin, welches die Verteidigungsreaktionen gegen alle Bakterien aktiviert, entschlüsselt. In der hier vorliegenden Arbeit wurde Chitin als zweitwichtigster Vertreter der PAMPs und als Auslöser der pflanzlichen Immunantwort gegen Pilze, wie
dem Echten und dem falschen Mehltau, untersucht. Als Induktor wurde Chitosan, eine deacetylierte Variante des Chitins, verwendet, welche ebenfalls die Immunantwort der Pflanzen auslösen kann. Durch die Verwendung der nordamerikanischen Weinrebe Vitis rupestris TuB6-GFP, welche gegenüber dem Falschen Mehltau resistent ist, und die Verwendung von V. vinifera ´Chardonnay´, einer fluoreszent mit GFP-markierten AktinMarkerzelllinie (GFP-AtFABD2), wurde die Rolle der Aktin Filamente in dem Chitin-ausgelösten Signalweg untersucht.
Es konnte gezeigt werden, dass Chitosan den Kalziumeinstrom und die damit messbar einhergehende apoplastische Alkalisierung, sowie deren dadurch ausgelösten Regulation verschiedener Stoffwechselwege über die Aktivierung einer NADPH Oxidase, die Produktion von Phytoalexinen und die Expression verteidigungsrelevanter Gene steuert. Diese Erkenntnisse zeigen, dass Chitosan einen neuen Weg der Abwehrmechanismen von
Pflanzen aktiviert.

Plant immunity consists of two levels - a basal immunity is elicited by so called Pathogen Associated Molecular Patterns (PAMPs) that are common to a whole class of microbial organisms. This basal level is overlaid by more specific so-called (PAMP)-triggered immunity that usually develops in a process of coevolution between host and pathogen and usually is effective only for specific strains of the pathogen.
Grapevine is the crop with the highest cash yield per area but is strongly challenged by microbial pathogens such as Downy Mildew or Powdery Mildew requiring tremendous chemical plant protection. ... mehrFor instance, around 70 % of European fungicide consumption goes into viticulture.
Breeding of new pathogen resistant grapevine variety has been a successful strategy to reduce the ecological and economical load of fungicide use.
However, these varieties are all based upon a single resistance locus introgressed from resistant wild North American grape. The economic success of the new variety has already induced a new round of chemical warfare between host and pathogen.
Chitin, a vital structural component of the fungal cell walls, is well known as a pathogen-associated molecular pattern (PAMP). In plants, fungi are recognized by perception of conserved pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) to induce defence responses in various plant species by targeting calcium influx channels, mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascades, reactive oxygen species (ROS), phytoalexin production and expression of defence related-genes. However, due to the spatial and temporal segregation of those molecular signals, they can regulate and activate many different signalling pathways depending on the underlying
stress type.
Previous work in our lab mapped the cellular and molecular defence responses to one of the most important PAMPs, bacterial flagellin, that can activate defence to all bacteria. In the current work, we use chitin as an elicitor for plant immune responses and second most important PAMP, which activates defence to whole fungi, including important pathogens such as Powdery Mildew and Downy Mildew. In our study, we used chitosan derived from chitin by deacetylation and an elicitor of plant immunity. Using the North American Vitis rupestris TuB6-GFP, which resistant to the pathogen Downy mildew of grapevine (Plasmopara viticola), and Vitis vinifera ‘Chardonnay’ expressing the fluorescent actin marker GFPAtFABD2, to detect the role of actin filaments in response to chitin signalling.
The findings show that chitosan can trigger calcium influx (monitored by apoplastic alkalinisation) which then in turn regulates many signalling pathways by activating the NADPH oxidase, which leads to the production of Phytoalexins and expression of defence related genes. These findings show that chitosan triggered a new pathway of plant defence.