Inter-kingdom-communication. Alexandra Furch

Transkript

1 Inter-kingdom-communication Alexandra Furch

2 Kingdom Lebendige Dinge Kingdom animals Kingdom plants Kingdom minerals

3 Kingdom 2005

4 Communication 1949 entwickelten Claude Shannon und Warren Weaver ein Model mit folgenden Elementen: - Informationsquelle, welche eine Nachricht produziert - Transmitter, welcher die Nachricht in ein Signal codiert - Kanal, an welchen das Signal für die Transmission adaptiert ist - Receiver, der das Signal decodiert - Ziel, wo die Nachricht ankommt Nachricht Nachricht

5 Communication Nachricht Nachricht

6 Inter-kingdom-communication Kingdom Bakterien vs. Pflanzen Communication Informationsaustausch Kleine Moleküle Quorum sensing (chemische Kommunikation) Pilze vs. Pflanzen Beneficial interaction Priming for resistance

7 Bakterien vs. Pflanzen

8 Bakterien vs. Pflanzen 1. Legume- Rhizobia Symbiose 2. Antwort auf Quorum Sensing Moleküle

9 Rhizobia- eine heterogene Gruppe 1889 R. leguminosarum wurde identifiziert - Alle folgenden identifizierten Arten wurden zunächst in die Gruppe der Rhizobia sortiert - Durch bessere Methoden zur Analyse wurden die Arten auf verschiedene Gruppen verteilt - Am Besten erforscht sind Klee, Luzerne, Bohne und Sojabohne Wortabstammung: griechisch rhiza Wurzel bios Leben

10 Rhizobia- eine heterogene Gruppe

11 Stickstoff Assimilation: Aufnahme von Nitrat oder Ammonium aus dem Boden Rhizobia interagieren mit den Wurzeln der Leguminosen

12 - Wurzeln bilden Nodule - Einzigartiges Wurzelorgan, entwickelt um Rhizobia zu fördern - Rhizobia differenzieren sich zu Bakterioide, umgeben von einer spezialisierten pflanzlichen Membran Peribakterioid Membran

13 Resultate der Interaktion Growth Promotion N 2 Fixierung Stärkung des pflanzlichen Abwehrsystems Anatomische Änderungen

14 Growth Promotion bei limitiertem N Klee

15 Growth Promotion bei limitiertem N Lotus Sojabohne

16 Nodule

17 Nodule

18 Bakterioid

19 Bildung der Nodule

20 - NOD Faktoren induzieren die Bildung der Nodule - Am Besten charakterisiert sind: Chitooligosaccharide - Initiiert die meristematische Aktivität - Die Interaktion ist hoch spezifisch - Die Penetration erfolgt über die Wurzelhaare - Bakterien bewirken die Reduktion der Zellwand-Synthese - Die Bakterien enthalten Plasmide mit nod Genen - Pflanzen synthetisieren Flavonoide, Flavone, Isoflavone, Chalcone

21 NOD Gene Das Rückgrat der NOD Faktoren wird von bakteriellem NodA, NodB und NodC synthetisiert NodC (Chitin Synthase) Synthese von Acetylglucosamin Oligomeren NodB (N-deacetylase) eliminiert einen Acetyl Rest vom nicht-reduzierenden Ende des Chitin oligomers NodA (Acyl Transferase) baut einen Acyl Rest an den nicht-reduzierende terminalen Zucker NodD Genprodukt: Transkriptionsfaktor, der die anderen nod Gene aktiviert

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23 NOD Faktoren

24 Bildung der Nodule Primäre Infektionsereignisse Robledo M et al 2008

25 Bildung der Nodule

26 Bildung der Nodule

27 Bakterien vs. Pflanzen 1. Legume- Rhizobia Symbiose 2. Antwort auf Quorum Sensing Moleküle

28 Quorum Sensing Sender Neoscopelus macrolepidotus Empfänger

29 Quorum Sensing Bekannt in Gram-negativen Bakterien HSL Regulierung von: - Genexpression - Virulenzfaktoren - Bildung von Biofilmen - Pathogenität Hartmann und Schikora 2012

30 Quorum Sensing Bakterien produzieren verschiedene HSLs

31 Are plants listening to bacterial talk? Homo-Serin-Lactone (HSL) beeinflussen das Pflanzenwachstum

32 Are plants listening to bacterial talk? Kurzkettige Homo-Serin-Lactone beeinflussen die Entwicklung von Arabidopsis Schenk et al 2012

33 Priming for defence? Are plants listening to bacterial talk? HSL-produzierende Bakterien induzieren bei Pflanzen eine Resistenz gegenüber verschiedene Pathogene

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35

36 Pieterse et al

37 Pilze vs. Pflanzen

38 Lebensweisen von Pilzen parasitisch: Leben und Ernährung auf Kosten der Wirtspflanze saprophytisch: Ernährung von totem, organischem Material mutualistisch: Leben und Ernährung in wechselseitigem Vorteil Parasiten: z.b. Ascomycota (Mehltaupilze), Basidiomycota (Rostpilze) Saprophyten: z.b. Zygomycota, Ascomycota (Schimmelpilze auf Lebensmitteln) Symbionten: z.b. Glomeromycota (Mykorrhiza Pilze), Ascomycota (Flechten)

39 Charakterisierung Organismen mit parasitischer, mutualistischer oder saprophytischer Lebensweise C-heterotroph: Aufnahme von Kohlenhydraten notwendig Thallus-Aufbau: Fruchtkörper aus einem Mycel aus einzelnen Hyphen Zellwände: aus Chitin Vermehrung: asexuell (Konidien) und sexuell (Sporen)

40 Abt: Glomeromycota Ordnungen: Glomales: vesiculär arbuskuläre Mykorrhiza-Pilze (VAM): Glomus, Gigaspora dabei handelt es sich nicht um Krankheitserreger; meist haben diese Pilze positive Eigenschaften auf das Pflanzenwachstum; man spricht von mutualistischer Symbiose.

41 Glomeromycota Arbuskuläre Mykorrhiza Achtung! Ektomykorrhiza gehört zu Basidiomycota Arbuskeln Hartig sches Netzwerk

42 Vesiclär arbuskuläre Mykorrhiza-Pilze leben endophytisch (innerhalb der Wirtspflanze) Arbuskel Dringen nicht in den Protoplasten ein Oberflächenvergrößerung Austauschfläche für Metabolite und Nährstoffe

43 Bedeutung von Mykorrhiza 80 % aller Landpflanzen-Familien leben in Symbiose mit Wurzelendophyten Steigerung der Aufnahmefähigkeit für Wasser und essentielle Elemente Schutz gegen Angriff durch pathogene Pilze und Nematoden Pilzpartner erhält Kohlenhydrate und essentielle Verbindungen

44 Effekt auf das Pflanzenwachstum

45 Bessere Nährstoffaufnahme (P)

46 Weitere Effekte Resistenz gegen abiotischen Stress - Trockenheit, Salzstress, Schwermetalle, Toxine, Kälte, Hitze, Nährstoffstress, etc. Resistenz gegen biotischen Stress - Pathogene (Viren, Bakterien, Pilze) - Nematoden - Insekten - Parasiten - Förderung der Biomasse - Förderung der Samenmenge - Förderung der Fitness

47 Ökologische und agronomische Vorteile Mykorrhiza Salztoleranz Wachstumsförderung Aktivierung der Pflanzenabwehr Kultivierung Ja Ja Ja schwierig

48 Mycorrhiza sorgt für Trockentoleranz

49 Mycorrhiza sorgt für Trockentoleranz

50 Toleranz gegenüber Schwermetalle

51 Myccorhiza Pilze können bis zu 50% der Wurzelbiomasse ausmachen

52 Zell-externes Netzwerk mit Hyphen und Sporen Externe Hyphen sind viel größer als Arbuskeln

53 Vesikel Arbuskel Appressorium Äußere Hyphe Spore

54 Die sehr dünnen Hyphen können viel besser im Boden die kleinsten Zwischenräume erreichen, als die Seitenwurzeln und Wurzelhaare Seitenwurzeln Hyphen

55 Nur 6 Pilzarten bilden VAM - Sie gehören alle zu den Glomales (Zygomyceten) - Die Initiation der Interaktion erfolgt über einen Keimschlauch auf der Plasma Membran - Die Hyphen bilden ein Appressorium - Bildung eines extracellulären Hyphensystems - Bildung eines Haustoriums: Einstülpung der Plasma Membran - Vergrößerung der Interaktionsfläche - Lebenszeit der Arbuskel: einige Tage

56 Glomus mosseae Chlamydospore Fortpflanzung und Überdauerung durch Chlamydosporen

57 Appressorium Haustorium

58 Pilz: aktiviert ein Hexose-Import-System Pflanze: aktiviert Phosphat-Transporter Crop plants: bis zu 4x höherer Ertrag mit Mycorrhiza Pilzen Ohne Mykorrhiza Mykorrhiza

59 - Der Pilz wächst nur mit Wirt - Pilz Signal (?) Flavonoide phenolische Komponenten Oligosaccharide der Zellwand modifizierte Peptide - Signalweiterleitung: Rezeptorkinasen Calcium - Mindestens 7 Proteine werden für die Mycorrhiza Bildung benötigt

60 Möglicher Signal-Transduktionsweg - Myc oder Nod Faktoren werden auf der Zelloberfläche erkannt - Protein-Phosphorylierungen sorgen für Calcium-Einstrom ins Cytoplasma und Calcium-spiking in Kernnähe - Calcium abhängige Proteinkinasen werden aktiviert - Diese phosphorilieren spezielle Transkriptionsfaktoren, die an der Arbuskelentwicklung oder Nodulbildung beteiligt sind

61 Die Calcium Oscillationen unterscheiden sich zwischen Nod und Myc Bindung

62 Viele Orchideen benötigen Mycorrhiza Pilze für die Samenkeimung Extreme Form der Symbiose mit Orchideen Chlorophyllfreie Nestwurz

63 Pilz: Tulasnella Extreme Form der Symbiose mit Orchideen: Pilz gibt der Pflanze Kohlenstoff - Verwertet komplexe C-Quellen: Cellulose - Transfer von C zu nicht-photosynthetisch aktiven Orchideen - Pilz bildet intrazelluläre Hyphen ( Knäuls ) - Pflanzenzelle verdaut pilzliche Knäuls durch pflanzenspezifische Exoenzyme (übrig bleibt Chitin) - Ursprüngliche Orchideen benötigen C - Moderne Orchideen (photosynthetisch aktiv) benötigen P - Symbiose ist mutualistisch aber metastabil: Shift zu Parasitismus (Pilz ist dominant) Verdau der Pilzhyphen (Pflanze ist dominant)

64 Ektomycorrhiza - bilden Fruchtkörper - Fast alle Bäume bilden Ektomycorrhiza - Der Pilz bleibt im Zellwandbereich - Der Pilz bildet ein Netz um die Wurzeln - Der Pilz kolonisiert nur die äußeren Zellschichten der Wurzel (Hartig Netz) Schutz gegen pathogene Pilze und Bakterien

65 Growth promotion Nutrient uptake

66 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Bild: Anatoli Ludwig