Signalerkennungs- und Signalwandlungsprozesse bei der Auslösung von nichtkultivarspezifischen Pathogenabwehrmechanismen in Pflanzen

Abstract

Die Immunität einer ganzen Pflanzenspezies gegen Infektionen durch bestimmte mikrobielle Pathogenspezies (Nichtwirtsresistenz) basiert auf dem Zusammenspiel konstitutiver und induzierbarer Barrieren. Die Auslösung letzterer Reaktionen basiert auf der Erkennung sogenannter Pathogen-asoziierter molekularer Muster (PAMP) durch pflanzliche Rezeptoren. Eine Kalzium-abhängige Transglutaminase (TGase, EC 2.3.2.13), die in der Zellwand verschiedener Spezies der Gattung Phytophthora nachgewiesen wurde, dient als Erkennungsdeterminante für die Auslösung von nicht-kultivarspezifischen Abwehrreaktionen in Petersilie und Kartoffel. Innerhalb eines oberflächenexponierten Loops dieses Proteins wurde ein evolutionär konserviertes Peptid (Pep-13) identifiziert, welches die durch Pep-13 vermittelte rezeptorabhängige Erkennung des Pathogens an der pflanzlichen Oberfläche bedingt. Mutationen im Pep-13 Motiv der TGase aus P. sojae, die die Elicitoraktivität des Proteins zerstörten oder stark reduzierten, hatten ebensolchen Einfluss auf dessen Enzymaktivität. Daraus lässt sich schliessen, dass Pflanzen (ähnlich wie Säuger oder Drosophila) im Zuge der Evolution Rezeptoren für stabile und für die endogene Aktivität unverzichtbare Epitope mikrobieller Oberflächen erworben haben, die die molekulare Grundlage für dauerhafte Pathogenresistenz bilden könnten. Die Liganden-induzierte Rezeptoraktivierung resultiert in erhöhten zytoplasmatischen Kalziumspiegeln, die sehr wahrscheinlich durch den Einstrom von extrazellulärem Kalzium hervorgerufen werden. Die Kalzium-abhängige Produktion reaktiver Sauerstoffspezies und die Aktivierung von MAP-Kinasekaskaden sind verantwortlich für die durch Transkriptionsfaktoren vermittelte Veränderung des Genexpressionsmusters und letztlich für die Auslösung von Abwehrreaktionen.Phytopathogene Bakterien der Gattung Pseudomonas produzieren und sekretieren das Effektorprotein HrpZ während der (versuchten) Infektion von Pflanzen. Es konnte gezeigt werden, daß HrpZ Kationen-durchlässige Poren in Lipiddoppelmembranen formen kann, was vermutlich die molekulare Funktion des Proteins in der bakteriellen Pathogenese darstellt. Die molekulare Basis für die durch HrpZ ausgelöste pflanzliche Pathogenabwehr in Petersilie oder Tabak scheint dagegen die spezifische Erkennung des Proteins durch einen Rezeptor zu bilden.

Immunity of an entire plant species to infection by a particular pathogen species (non-host resistance) is determined by intertwined layers of defense including both constitutive barriers and inducible reactions. Activation of inducible defense responses is likely based upon recognition of pathogen-associated molecular patterns (PAMP), which bind to plant receptors. We have identified a calcium-dependent cell wall transglutaminase (TGase, EC 2.3.2.13) from various species of the phytopathogenic oomycete genus, Phytophthora, that triggers defense responses in parsley and potato. Transcripts encoding TGase were expressed and enzyme activity was detectable in 10 Phytophthora species analyzed. A surface-exposed fragment (Pep-13) of this protein, which is sufficient for receptor-mediated activation of pathogen defense, is highly conserved in all Phytophthora TGases. Mutational analysis within the Pep-13 sequence revealed amino acid residues indispensible for both transglutaminase activity and activation of plant defense. Thus, PAMPs (such as Pep-13) recognized by plants show similiarities to those triggering innate immune responses in mammals or Drosophila. Ligand-induced receptor activation results in elevated levels of cytoplasmic [Ca2+], which is likely due to influx through plasma membrane [Ca2+] channels. [Ca2+]-dependent production of superoxide anions and activation of MAP kinase cascades are implicated in the activation of transcription factors which mediate the expression of plant defense responses. Phytopathogenic bacteria of the genus Pseudomonas produce and secrete the effector protein, HrpZ, during (attempted) infection of plants. HrpZ was shown to insert into lipid bilayer membranes and to evoke cation-conducting channels. This ion channel-forming activity, however, does not form the molecular basis for the activation of defense responses in plants treated with HrpZ, but likely reflects the function of the protein in bacterial pathogenesis. Receptor-mediated activation of plant defense was rather shown to occur in parsley and tobacco.