Vorlesung Molekularbiologie und Biochemie der Pflanzen. Herzlich willkommen!

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1 Vorlesung Molekularbiologie und Biochemie der Pflanzen Herzlich willkommen! 1

2 Vorlesung: Molekularbiologie und Biochemie der Pflanzen Biotische Interaktionen (Clemens) Pflanzen und abiotische Umweltfaktoren (Clemens) Regulation des Stoffwechsels (Mustroph) Sekundärstoffwechsel (Mustroph) Pflanzenbiotechnologie (Weber) Wiederholungstermin 2

3 Biotische Interaktionen (Allelophysiologie) Symbiotische Interaktionen Pflanzen leben häufig in Symbiosen mit anderen Organismen: Bsp. Mycorrhiza, d.h. die Assoziierung der Wurzeln mit Pilzen % aller Pflanzen und 100 % aller Pflanzen im Tropischen Regenwald - leben wahrscheinlich in Symbiose mit Pilzen. Biologische Stickstofffixierung: Symbiose von Rhizobien mit Vertretern der Fabaceae, Bildung von Wurzelknöllchen Flechten, eine Symbiose von Pilzen und Algen (oder Cyanobakterien). 3

4 Biotische Interaktionen (Allelophysiologie) Parasitische Interaktionen Parasitische Pflanzen Foto: Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung/ Kalda, Panstruga Infektion von Pflanzen durch Bakterien, Pilze oder Oomyceten. Man spricht hier dann von Pathogenen: sichtbare Schäden (Krankheitsbilder) werden verursacht. 4

5 Biotische Interaktionen (Allelophysiologie) Symbiotische Interaktionen Parasitische Interaktionen Foto: Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung/ Kalda, Panstruga Gemeinsame Nenner von Symbiose und Parasitismus: - Spezifität der Interaktion - Kommunikation, d.h. Austausch und Erkennung von Signalen (Nicht weiter betrachten werden wir reine Saprophyten, d.h. Mikroorganismen, die sich von abgestorbenem Pflanzenmaterial ernähren.) 5

6 Biotische Interaktionen (Allelophysiologie) Generell sind die Grenzen zwischen Pathogenen/Parasiten, Symbionten und Saprophyten fließend: - Eine Mycorrhiza kann durchaus auch ein Parasitismus sein, wenn einer der Partner im wesentlichen die Vorteile hat - Ein Saprophyt kann bei geschwächter Abwehr einer Pflanze auch zum Pathogen werden; manche Pilze sind je nach Lebensphase entweder Saprophyten oder Pathogene (Bsp. Ustilago maydis, Mais-Beulenbrand) 6

7 Biotische Interaktionen (Allelophysiologie) Herbivorie 7

8 Pflanzenpathogene und pflanzliche Abwehr Krankheit ist die seltene Ausnahme trotz der ständigen Präsenz potentieller Pathogene. Pflanzen besitzen ein effektives Immunsystem. Da Pflanzenkrankheiten jedoch die Landwirtschaft schon immer beeinträchtigt haben, ist die Frage nach ihrer Natur eine der ältesten Fragen der Biologie. Schon Jahrzehnte vor Pasteur und Koch wurde gezeigt, dass Pilze Pflanzenkrankheiten auslösen können. Jedoch gab es häufig Schwierigkeiten mit dem Kochschen Postulat, dass der pathogene Mikroorganismus in Reinkultur angezogen werden muss (bis heute z.b. bei Mehltau- Pilzen nicht möglich). 8 Buchanan, Gruissem, Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants

9 Schon behandelte Aspekte (Vorlesung Pflanzenphysiologie ): Übersicht Krankheitserreger: Pilze, Bakterien, Oomyceten, Viren, Nematoden Mechanismen der Pathogenität, Pathogenitätsfaktoren Toxine, Zellwand-abbauende Enzyme, Hormone Präformierte Abwehrmechanismen der Pflanze Speicherung antimikrobiell wirkender Stoffe, Mechanische Barrieren Induzierte Abwehr: Das pflanzliche Immunsystem Spezifische Abwehr Gen-für-Gen-Hypothese Allgemeine Abwehr Phytoalexine Zellwand-abbauende Enzyme 9

10 Welche Pathogene gibt es? Wie wird Pflanzenkrankheit verursacht? Welches sind die Mechanismen der Pathogenität? 10 Strasburger, Lehrbuch der Botanik (2008)(8-17)

11 Wie werden Pathogene erkannt und Abwehrreaktionen ausgelöst? Spezifische Abwehr Basiert auf der Erkennung von Virulenz-/Pathogenitätsfaktoren Allgemeine Abwehr Basiert auf der Erkennung von verbreiteten Kennzeichen mikrobieller Pathogene und Nicht-Pathogene Jones & Dangl, Nature (2006) Das Zick-Zack-Modell 11

12 PAMPS = Pathogen-associated molecular patterns PTI = PAMP-triggered immunity Eine Pflanzenzelle erkennt die Anwesenheit eines potentiellen Pathogens und löst Abwehrreaktionen (wie Zellwandverstärkung, Phytoalexinproduktion etc.) aus. Das bedeutet bereits das Ende für die meisten potentiellen Pathogene. PAMPs (oder MAMPs) sind in Mikroorganismen strukturell hoch konservierte Moleküle (meist Proteine), die wichtige Funktionen haben und 12 im Wirt normalerweise nicht vorkommen.

13 PAMP-triggered immunity Chisholm et al., Cell (2006) 13

14 Das archetypische PAMP: Flagellin Arabidopsis thaliana ist wie eine wahrscheinlich sehr große Zahl anderer Pflanzen in der Lage, die Flagellen von Bakterien zu erkennen. Ein 22 Aminosäuren langes Peptid aus Flagellin (Flg22) löst Abwehrreaktionen aus. Eine große Zahl von Genen (ca. 1000) werden ausgelöst durch Flagellin- Erkennung aktiviert oder reprimiert. Ca. 100 dieser Gene kodieren vermutlich andere PAMP-Rezeptoren. 14

15 Die Auslösung von Abwehrreaktionen im Detail Allgemeine Abwehr Ausgelöst werden z.b.: - die Synthese antimikrobiell wirkender Substanzen (Phytoalexine) - die Bildung von PR-Proteinen wie Chitinasen - Lokale Verstärkungen der Zellwand (z.b. Kallose-Bildung, Vernetzung von Zellwandkomponenten, Lignifizierung) Wie führt Pathogen- Erkennung zur Auslösung dieser Abwehrreaktionen? Strasburger, Lehrbuch der Botanik (2008)(8-17) Wie kann flg22 die Aktivität von 1000 Genen beeinflussen? Wie funktioniert die Signaltransduktion? 15

16 Weiler/Nover, Allgemeine und Molekulare Botanik (Plus 20.6) 16

17 Rezeptorvermittelte Pathogenerkennung führt (wohl über Phosphorylierungen als erstem messbarem Ereignis) zur Aktivierung von Ionenkanälen, zur Veränderung des Membranpotentials (Depolarisierung), zum transienten Ca 2+ -Einstrom. Rezeptorvermittelte Pathogenerkennung löst einen oxidative burst aus, d.h. die Entstehung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS). Verantwortlich sind NADPH-Oxidasen in der Plasmamembran. (Praktikum) ROS schädigen direkt das Pathogen, fördern die Zellwandverstärkung durch das Cross-linking von Proteinen und Lignifizierung. Auch das Signalmolekül NO wird gebildet. Weiler/Nover, Allgemeine und Molekulare Botanik (Plus 20.6) 17

18 Der oxidative burst Apel & Hirt (2004) Annu. Rev. Plant Biol. Innerhalb weniger Minuten nach Erkennung steigt die Konzentration reaktiver Sauerstoffspezies stark an. Gomez-Gomez et al. (1999) Plant J. 18

19 Verstärkte H 2 O 2 -Bildung verändert den Redoxstatus der Zelle. Dies fördert hypersensitiven Zelltod. Die Einwirkung von ROS und NO auf die Mitochondrien löst Zelltodprogramme aus. 19

20 Integraler Bestandteil der Signaltransduktion sind MAP-Kinase-Kaskaden, d.h. Phosphorylierungskaskaden, die Transkriptionsfaktoren aktivieren. 20

21 MAP-Kinase-Kaskaden Diese werden von einer Vielzahl äußerer Reize ausgelöst. Dabei wird ein Signal in den Kern übertragen. Meist werden regulatorische Proteine phosphoryliert. Buchanan, Gruissem, Jones, Biochemistry & Molecular Biology of Plants 21

22 Nicht alles läuft immer mit gleicher Intensität ab! 22

23 Flagellin-Erkennung ist weit verbreitet 23

24 Flagellin-Erkennung trägt nachweisbar zur Resistenz bei Infektion mit Pseudomonas syringae Kontrolle Zipfel et al., Nature (2004) Allerdings verliert eine Flagellin-insensitive Mutante nicht alle Resistenz und es entsteht keine besondere Sensitivität gegenüber anderen Pathogenen. Dies ist ein Hinweis darauf, dass es ein ganzes Arsenal an PAMP-Rezeptoren in Pflanzen gibt. 24

25 Auch sind in der Evolution Flagellin-Varianten entstanden, die vom FLS2-Rezeptor nicht erkannt werden Gomez-Gomez et al. (1999) Plant J. Welche weiteren Mechanismen könnten dem Pathogen helfen Erkennung zu 25 unterdrücken?

26 Der bakterielle Elongationsfaktor EF-Tu als PAMP elf18 ist das wirksame Peptid von EF-Tu (wie flg22 das wirksame Peptid in Flagellin ist). elf18 und flg22 lösen Alkalinisierung des Mediums kultivierter Zellen aus (Ionenströme)(A und B). Beide lösen die Aktivierung (=Phosphorylierung) von MAP-Kinasen aus (C und D). Behandlung mit elf18 und flg22 reduziert das Wachstum pathogener Bakterien (E). Es gibt keine Hinweise auf synergistische Effekte. Zipfel et al., Cell (2006) 26

27 Der bakterielle Elongationsfaktor EF-Tu als PAMP Die durch elf18 und flg22 ausgelösten Effekte im Transkriptom von Arabidopsis sind weitgehend identisch. In A sind die durch elf18 und flg22 ausgelösten Effekte gegeneinander aufgetragen und liegen nahe an der Winkelhalbierenden. Zipfel et al., Cell (2006) 27

28 Der bakterielle Elongationsfaktor EF-Tu als PAMP Eine Mutante ohne funktionellen elf18-rezeptor ist sensitiver gegenüber Agrobacterium tumefaciens. Infektion ist angezeigt durch die Blaufärbung, da die Agrobakterien ein GUS- Gen übertragen haben. D zeigt die Symptome nach Inokulation. Wieviele PAMP-Rezeptoren gibt es wohl in Arabidopsis, wieviele in Säugern? flg22- und elf18-rezeptor gehören zu einer Klasse von Rezeptorkinasen mit ca. 200 Vertretern. Zipfel et al., Cell (2006) Verbreitung bestimmter MAMP-Rezeptoren im Pflanzenreich kann sehr unterschiedlich sein. 28

29 Nicht nur MAMPs oder PAMPs werden erkannt, sondern auch DAMPs: MAMPs: Microbe-associated molecular patterns DAMPs: Danger-associated molecular patterns PRRs: Pattern-recognition receptors RLKs: Receptor-like kinases RLPs: Receptor-like protein 29

30 Auch Pilze tragen PAMPs: Ein noch unbekannter Rezeptor in der Plasmamembran von Petersilie-Zellen erkennt ein Motiv (Pep-13) in einer Zellwand-Transglutaminase von Phytophthora-Arten. Auch diese Erkennung löst die bereits angesprochenen Signalkaskaden aus. (Praktikum) 30

31 PAMPs = Pathogen-associated molecular patterns PTI = PAMP-triggered immunity ETS = Effector-triggered susceptibility Um PTI zu überwinden, unterdrücken Pathogene die PAMP-abhängige Abwehr durch Effektoren, die im Falle von bakteriellen Pathogenen mittels des Typ III-Sekretionssystems direkt in die Wirtszelle eingebracht werden. 31