Identifizierung und Charakterisierung von PAMP-induzierbaren Genen in Petroselinum crispum und Arabidopsis thaliana

Abstract

Ein tieferes Verständnis von Signalvorgängen bei Reaktionen der angeborenen Immunität in Pflanzen erfordert die Identifizierung neuer Komponenten der entsprechenden Signalwege. Da für einige Signalkomponenten wie die PAMP-Rezeptoren FLS2 und EFR gezeigt werden konnte, dass sie durch die Einwirkung von PAMPs transkriptionell aktiviert werden, wurden intensive Expressions-analysen durchgeführt.

Ziel dieser Arbeit war es, durch PAMP-Behandlung differenziell exprimierte Gene mit Signal-transduktionseigenschaften in Petroselinum crispum und Arabidopsis thaliana zu identifizieren, sie gegenüber zu stellen und miteinander zu vergleichen, um anschließend eine molekulare und funk-tionelle Charakterisierung ausgewählter Kandidaten im Modellsystem Arabidopsis thaliana vorzu-nehmen. Die Ergebnisse der vergleichenden Analyse PAMP-induzierbarer Gene in Petersilie und Arabidopsis ließen erkennen, dass Pflanzen für bestimmte Mikroorganismen charakteristische PAMPs zu erkennen scheinen, allerdings nicht auf eine PAMP-spezifische Art und Weise reagieren. Das deutet daraufhin, dass PAMPs eine generische Reaktion auf „Nicht-Selbst“ repräsentierende Moleküle auslösen und die Konvergenz der Signalwege sehr zeitig nach Ligandenerkennung erfolgt. Überdies sind die Signalkaskaden, die nach PAMP-Erkennung ausgelöst werden, konserviert. Nach Bindung der Liganden an die entsprechenden Rezeptoren werden die Signale zur Aktivierung verschiedener Abwehrmechanismen in unterschiedlichen Pflanzen auf die gleiche Art und Weise weitergeleitet.

Für die molekulare und funktionelle Beschreibung in Arabidopsis thaliana wurden zwei Gene ausgewählt (At2g39530 und At2g02220), deren Expression eine starke Reaktion auf die Behandlung mit PAMPs sowohl in Petersilie als auch in Arabidopsis zeigten und die im Fall von At2g02220 als rezeptorähnliche Kinase eine direkte Funktion bei der Erkennung oder Weiterleitung des Signals haben könnten (Gomez-Gomez and Boller, 2002; Zipfel et al., 2006).

Die Expression des integralen Membranproteins IMP (At2g39530) wird durch die Behandlung von PAMPs oder Pathogenen stark induziert. Eine untersuchte T-DNA-Insertionslinie imp1-1 wies jedoch keine phänotypisch sichtbaren Veränderungen bezüglich ihrer Entwicklung und gegenüber einer PAMP- oder Pathogenbehandlung auf. Es ist allerdings nicht auszuschließen, dass der nichtvor-handene Phänotyp von einem kürzlich annotierten unbekannten Protein (At2g39518) ausgeglichen und seine Funktion von ihm übernommen wird. Damit das ausgeschlossen werden kann, müssten in Zukunft Doppelmutanten dieser beiden Gene (At2g39530 und At2g39518) hergestellt und analysiert werden.

Der Phytosulfokinrezeptor AtPSKR1 (At2g02220) ist eine der 49 durch Pathogene und/oder PAMPs induzierten LRR-RLKs des Transkriptoms von Arabidopsis thaliana. Er scheint wie auch die beiden gut charakterisierten LRR-RLKs ERECTA und BAK1 eine duale Funktion zu haben. AtPSKR1 erkennt einerseits Phytosulfokine, die an verschiedenen Differenzierungs- und Entwick-lungsreaktionen in der Zelle beteiligt sind, könnte andererseits aber auch als negativer Regulator in der Abwehr von virulenten Pst DC3000 eine Rolle spielen. Die Expression des AtPSKR1 wird wie auch die des IMP stark durch PAMPs oder Pathogene induziert. Von den drei untersuchten T-DNA-Insertionslinien (pskr1-2, pskr1-3 und pskr1-4) scheint nur pskr1-3 eine vom WT differenzierte Entwicklung aufzuweisen. pskr1-3-Pflanzen wachsen langsamer als der WT und zeigen eine verfrühte Seneszenz. Erste Versuche deuten daraufhin, dass pskr1-3 außerdem resistenter als der WT gegenüber Pst DC3000-Behandlung ist.

LISTE DER ANHÄNGE: - Pc_Fragmentliste - Tabellen_als_Ergaenzung_fuer_Abb.3.3 - Tabellen_als_Ergaenzung_fuer_Abb.3.4_A - Tabellen_als_Ergaenzung_fuer_Abb.3.4_B - Tabellen_als_Ergaenzung_fuer_Abb.3.5_A - Tabellen_als_Ergaenzung_fuer_Abb.3.5_B - Tabellen_als_Ergaenzung_fuer_Abb.3.8_A - Tabellen_als_Ergaenzung_fuer_Abb.3.8_B - Tabellen_als_Ergaenzung_fuer_Abb.3.9 - Tabellen_als_Ergaenzung_fuer_Abb.3.10

For a better comprehension of signaling cascades of innate immune responses in plants the identification of new components of the corresponding signaling pathways is required. It could be shown that several signaling components such as the PAMP receptors FLS2 and EFR are transcriptionally activated by PAMP treatment. Thus, comprehensive analyses of gene expression profiles were performed.

The aim of this work was to identify and compare up- or down-regulated genes involved in signal transduction cascades triggered by recognition of PAMPs in Petroselinum crispum and Arabidopsis thaliana followed by the molecular and functional characterization of selected candidate genes in the model system Arabidopsis thaliana.

The results of the comparative analyses of PAMP inducible genes in parsley and Arabidopsis revealed that plants appear to recognize microbe-specific PAMPs, but might not respond in a PAMP-specific manner. It seems that PAMPs rather trigger a generic response to “nonself” representing molecules and that the signaling pathways converge soon after ligand recognition. Furthermore, the signaling cascades triggered by PAMP recognition are conserved. After binding of the ligands to the corresponding receptors the signals for the activation of various defense responses in different plants are transduced in the same manner.

Two genes (At2g39530 und At2g02220) were selected for further molecular and functional characterization in Arabidopsis thaliana. Their gene expression showed a strong induction to PAMP-treatment in parsley as well as in Arabidopsis. In the case of At2g02220 as receptor-like kinase it could have a direct function in the perception or transduction of the signal (Gomez-Gomez and Boller, 2002; Zipfel et al., 2006).

The gene expression of the integral membrane protein IMP (At2g39530) is strongly induced after treatment with PAMPs or pathogens. Characterization of the T-DNA-insertion line imp1-1 displayed no apparent phenotypical alterations with respect to development or treatment with PAMPs or pathogens. However, it cannot be ruled out that the missing altered phenotype is due to functional compensation by a recently annotated unknown protein (At2g39518). To exclude that possibility double mutants of both genes (At2g39539 and At2g29518) have to be established and analyzed in the future.

The phytosulfokine receptor AtPSKR1 (At2g02220) is one of the 49 pathogen and/or PAMP-induced LRR-RLKs of the Arabidopsis thaliana transcriptom. Similar to the two well characterized LRR-RLKs ERECTA and BAK1 it seems to have a dual function. On one hand AtPSKR1 recognizes phytosulfokines involved in various processes of differentiation and development and on the other hand it could play a role as negative regulator in the defense against virulent Pst DC3000. The expression of AtPSKR1 is similar to that of the IMP strongly induced by pathogens or PAMPs. Three T-DNA-insertion lines (pskr1-2, pskr1-3 and pskr1-4) have been studied of which only pskr1-3 appeared to have a different development than the WT. psrk1-3 plants grew slower than the WT and showed an early senescence phenotype. Preliminary experiments indicate an enhanced resistance towards Pst DC3000 of pskr1-3 compared to the WT.

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