Systemische Signaltransduktion in der Pathogenabwehr

Pflanzen sind einer Vielzahl unvorhersagbarer und widriger Umweltbedingungen ausgesetzt, zu deren Anpassung es einer raschen Signalperzeption und transkriptionellen Re-programmierung bedarf. Ein Angriff durch Pathogene ruft verschiedene lokale Abwehrreaktionen hervor, die die Ausbreitung der Infektion verhindern. Weiters werden "systemische" Signale von der Infektionsstelle über das Phloem transportiert, welche die Pflanze in einen "Bereitschaftszustand" ("Priming") versetzten und bei nachfolgenden Angriffen eine effizientere Abwehr ermöglichen ("systemische erworbene Resistenz" - SAR). Trotz ihrer zweifellos wichtigen Rolle als Überlebensstrategie und der damit verbundenen landwirtschaftlichen Bedeutung, sind viele Aspekte von SAR und die molekularen Mechanismen ihrer Entstehung noch unklar. Mitogen-aktivierte Proteinkinase (MAPK)-Kaskaden - zwischen Stressrezeptoren und stress-abhängigen Transkriptionsfaktoren agierende Module - sind wichtige Komponenten in der frühen Stresssignalleitung. Nur für sehr wenige pflanzliche MAPK substrate gibt es in vivo-Evidenz. Wir haben jüngst einen MPK3-aktivierten bZIP Transkriptionsfactor, VIP1, und ein direktes Zielgen, Thioredoxin Trxh8, identifiziert. In Folge seiner Phosphorylierung durch stress-aktiverte MPK3 wandert VIP1 vom Cytoplasma in den Zellkern, wo es die stressabhängige Expression von Trxh8 induziert. Azelainsäure akkumuliert in den Exudaten pathogenbehandelter Pflanzen und induziert die Expression von AZI1, kodierend für ein Lipid-Transfer-Protein (LTP). azi1-Mutanten zeigen eine normale lokale Antwort auf Pathogenbefall, sind jedoch in ihrer SAR blockiert, ebenso wie mpk3. Die (bisher ungeklärte) Anreicherung von MPK3-Transkript und inaktivem Protein im systemischen Gewebe stressbehandelter Pflanzen trägt zum "Priming" bei. In Vor-Experimenten wurde folgendes beobachtet: i) MPK3-defiziente Mutanten sind gestört in der stress- induzierten Expression mehrerer LTP-Gene (Microarray-Analyse ii) Die Proteinsequenzen von AZI1 und seinen nähesten Homologen enthalten vermehrt Peptidmotife, die den Phosphorylierungsmotifen verifizierter MAPK- Substrate gleichen. iii) Die Genexpressionsmuster von AZI1 und (spezifisch) Trxh8 zeigen eine starke Korrelation - ein mögliches Indiz für einen funktionelle Beziehung der korrespondierenden Proteine. Im angestrebten Projekt soll ein mögliches Zusammenwirken von MPK3, AZI1 und Trxh8 in vitro, in vivo und in planta studiert werden. mpk3-Mutanten werden auf eine mögliche Störung in AZI1 (Genexpression, Proteinanreicherung/-stablität und -aktivität) analysiert. Weiters soll mithilfe von azi1-Mutanten eine mögliche positive Feedback-Regulation, d.h. eine Rolle (des mobilien Proteins) AZI1 in der systemischen Anreicherung von MPK3 untersucht werden. Eine post-translationale Modifikation von AZI1 durch MPK3-Phosphorylierung sowohl durch direkte oder indirekte Redox-Regulation mittels Trxh8 und deren Auswirkung auf die Stabilität, Lokalisation und antimikrobielle Aktivität wird erforscht werden. Pathogen-Toleranztests an mpk3-Mutanten, Trxh8 und AZI1- Überexpressionslinien und deren genetischen Kreuzungen werden generiert und auf ihren Phänotyp bezüglich lokaler und systemischer Stressantwort hin untersucht. Transgene Arabidopsispflanzen, welche eine den dauerhaft phosphorylierten Zustand von AZI1 gleichenden Variante überexprimieren, haben möglicherweise eine stark erhöhte Stressresistenz. Aufgrund des abundanten Vorkommens von LTPs in vielen Pflanzenspezies, könnten die Ergebnisse dieses Projekts von landwirtschaftlicher Relevanz sein.

Pflanzen begegnen einer Vielzahl bedrohlicher Umweltreize und haben gelernt, sich schnell anzupassen. Auf zellulärer Ebene funktioniert dies über evolutionär konservierte Signalleitungsproteine, Kinasen. Diese werden bei Stress aktiviert, phosphorylieren spezifische Zielproteine und leiten so die Stressinformation weiter. In der Modellpflanze Arabidopsis ist MPK3 ist eine der wichtigsten Stress-Kinasen, bisher sind nur wenige seiner Zielproteine bekannt. Im Projekt konnte das Protein AZI1 als Zielprotein identifiziert werden. MPK3 dockt an AZI1 an, phosphoryliert es und erhöht seine Stabilität. Pflanzen, denen MPK3 fehlt, haben weniger AZI1. Solche Pflanzen sind stressanfälliger. Transgene Pflanzen mit einer Überportion AZI1 sind robuster gegenüber z.B. Salzstress. Interessanterweise sind MPK3- und AZI1-ähnelnde Proteine im Pflanzenreich weit verbreitet. Auch fanden wir, dass AZI1 und MPK3 zueinander finden, wenn sie in anderen Pflanzenarten produziert werden. Ob ganz generell AZI1-äquivalente Proteine Pflanzen einen Stressvorteil bieten, ist eine spannende Frage. Nun gilt es, gezielt nach landwirtschaftlich nutzbaren Pflanzen mit natürlich hohem Gehalt an AZI1-äquivalenten zu suchen, denn diese könnten gegen Klimawandel-bedingte Bodenversalzung und Dürre besser gewappnet sein.