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Die Pathogenabwehr der Kartoffel

Der Oomycet Phytophthora infestans ist der Erreger der Kraut- und Knollenfäule, der wichtigsten Krankheit der Kartoffel. Die Behandlung der anfälligen Kartoffelsorte Désirée mit dem Pathogen-assoziierten molekularen Muster (PAMP) Pep-13, einem 13 Aminosäure langem Motiv aus einer Transglutaminase von Phytophthora, führt zu einer erhöhten Resistenz gegen spätere Infektionen mit Pathogenen. Die Erkennung von Pep-13 induziert starke lokale Abwehrantworten, wie die Akkumulation von Salizyl- und Jasmonsäure und Wasserstoffperoxid, sowie hypersensitiven Zelltod (Abb. 1). Wenn Pep-13-behandelte Pflanzen anschließend mit P. infestans infiziert werden, sind die Krankheitssymptome und das Pathogenwachstum signifikant verringert. Um diese induzierte Resistenz mechanistisch zu verstehen, wurden durch Microarray-Analysen Gene identifiziert, die nach Pep-13-Behandlung aktiviert werden. Ausgewählte Kandidatengene werden funktionell charakterisiert, indem transgene Pflanzen mit reduzierter Expression dieser Gene hergestellt werden.

Abb. 1. Modell der PAMP-induzierten Resistenz in Kartoffel
Abb. 1. Modell der PAMP-induzierten Resistenz in Kartoffel

Kartoffelpflanzen mit einer verringerten Expression des Syntaxins SYR1 können nach P. infestans-Infektion keine Callose-haltigen Papillen mehr ausbilden. Dies zeigt die Bedeutung von Vesikelfusionsprozessen für die Zellwandverstärkung während der Pathogenantwort. In Zusammenarbeit mit Ingo Heilmann (MLU Halle) untersuchen wir die Rolle von Phosphatidylinositiden für sekretorische Prozesse während der PAMP-vermittelten Immunantwort.

Eines der durch Pep-13 aktivierten Gene kodiert für den ABC-Transporter ABCG1. Transgene Pflanzen mit reduzierter Expression dieses Gens zeigen deutliche morphologische Veränderungen (Abb. 2). Knollen dieser transgenen Pflanzen bilden keine effiziente Suberinschicht in ihrer Schale aus, was zur Austrocknung der Knollen führt. Metabolitenanalysen zeigten starke Veränderungen in der Zusammensetzung des Suberins und eine Akkumulation von potentiellen Vorstufen in methanolischen Extrakten der Knollenschale. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass der ABC-Transporter am Export von Suberin-Vorstufen beteiligt ist.

Abb. 2. Knollenschale von Wildtyp (links) und transgenen ABC-RNAi-Pflanzen (rechts). Eine reduzierte Expression des ABC-Transporters führt zu Defekten in der Suberinablagerung im Knollenperiderm.
Abb. 2. Knollenschale von Wildtyp (links) und transgenen ABC-RNAi-Pflanzen (rechts). Eine reduzierte Expression des ABC-Transporters führt zu Defekten in der Suberinablagerung im Knollenperiderm.

Abwehrmechanismen von Arabidopsis thaliana gegen Phytophthora infestans

Im Gegensatz zur Kartoffel ist die Modellpflanze Arabidopsis thaliana keine Wirtspflanze für den Oomyceten Phytophthora infestans. Sporen des Pathogens können auf der Blattoberfläche von Arabidopsis auskeimen, aber nicht die Epidermis penetrieren und die Pflanzen besiedeln.

Abb. 3. Chemische Abwehr von Arabidopsis gegen P. infestans. Die Infektionsversuche von P. infestans bewirken die Synthese und den Export von indolischen und phenolischen Substanzen. Modell nach Lipka et al. (2005), Stein et al. (2006), Bednarek et al. (2009) and Dobritzsch et al (2016). (Zum Vergrößern klicken)
Abb. 3. Chemische Abwehr von Arabidopsis gegen P. infestans. Die Infektionsversuche von P. infestans bewirken die Synthese und den Export von indolischen und phenolischen Substanzen. Modell nach Lipka et al. (2005), Stein et al. (2006), Bednarek et al. (2009) and Dobritzsch et al (2016). (Zum Vergrößern klicken)

Diese Nichtwirtsresistenz beruht auf mehreren Ebenen der Abwehr. Die erste Barriere ist die Penetrationsresistenz, die von den Genen PEN2 und PEN3 abhängt (Lipka et al., 2005; Stein et al., 2006; Fig. 3). Wenn diese Gene ausgeschaltet sind, kann P. infestans häufiger epidermale Zellen penetrieren. PEN2 kodiert für eine atypische Myrosinase, die Indolglucosinolate abbaut (Bednarek et al., 2009). Der ABC-Transporter PEN3 exportiert vermutlich die PEN2-Produkte aus der Zelle an die Stelle der versuchten Penetration (Stein et al., 2006).

Unsere Arbeitsgruppe ist an der Rolle von Oberflächen-lokalisierten Sekundärmetaboliten für die Pathogenabwehr interessiert. Um Metaboliten auf der Blattoberfläche zu identifizieren, inokulieren wir Arabidopsis-Blätter mit einem Tropfen einer Sporensuspension von P. infestans. Nach verschiedenen Zeitpunkten wird das Inokulum abgenommen und einer ungerichteten Metabolitenanalyse mittels UPLC-ESI-QTOF-MS unterzogen (Kollaboration mit der AG Metabolomics). Unter den sezernierten Metaboliten wurde das Hydroxyzimtsäureamid Coumaroylagmatin (CA) identifiziert. Interessanterweise inhibiert diese Substanz in vitro dosisabhängig die Sporenkeimung von P. infestans, nicht aber das Mycelwachstum des Oomyceten. Dies lässt darauf schließen, dass eine CA eine antimikrobielle Wirkung während des Auskeimens des Pathogens, also auf der Blattoberfläche ausüben könnte.

In Kartoffel-Blattextrakten finden sich erhebliche, im Inokulum dagegen nur sehr geringe Mengen an CA. Anscheinend kann die Kartoffel zwar CA synthetisieren, aber nicht effizient auf die Blattoberfläche sezernieren.

Abb. 4. Erhöhte Sekretion der antimikrobiellen Substanz CA in Kartoffel. Expression des biosynthetischen Enzyms ACT und eines MATE-Transporters aus Arabidopsis führt in vier transgenen Kartoffellinien (D,K,N,X) zu stark erhöhten Mengen an CA auf der Blattoberfläche.
Abb. 4. Erhöhte Sekretion der antimikrobiellen Substanz CA in Kartoffel. Expression des biosynthetischen Enzyms ACT und eines MATE-Transporters aus Arabidopsis führt in vier transgenen Kartoffellinien (D,K,N,X) zu stark erhöhten Mengen an CA auf der Blattoberfläche.

Mithilfe von Arabidopsis-Mutanten zeigten wir, dass das Enzym p-Coumaroyl-CoA:Agmatin N4-p-Coumaroyl-Transferase (ACT) für die P. infestans-induzierte Akkumulation von CA verantwortlich ist. Außerdem identifizierten wir den MATE-Transporter, der für den Export von CA auf die Blattoberfläche notwendig ist (Fig. 3). Wenn das biosynthetische Enzym und der Transporter in transgenen Kartoffelpflanzen exprimiert werden, ist der CA-Gehalt in P. infestans-infizierten Blättern erhöht. Im Gegensatz zu Wildtyppflanzen sind die transgenen Pflanzen in der Lage, sehr große Mengen an CA auf die Blattoberfläche zu sezernieren (Fig. 4). Dies korreliert mit einer erhöhten Abwehrkapazität gegen P. infestans und zeigt die Bedeutung von Oberflächen-Metaboliten für die Pathogenabwehr.

Literatur

  • Bednarek, P., Pislewska-Bednarek, M., Svatos, A., Schneider, B., Doubsky, J., Mansurova, M., Humphry, M., Consonni, C., Panstruga, R., Sanchez-Vallet, A., Molina, A., and Schulze-Lefert, P. (2009). A glucosinolate metabolism pathway in living plant cells mediates broad-spectrum antifungal defense. Science 323, 101-106.
  • Dobritzsch, M., Lübken, T., Eschen-Lippold, L., Gorzolka, K., Blum, E., Matern, A., Marillonnet, S., Böttcher, C., Dräger, B. & Rosahl, S. (2016). MATE Transporter-Dependent Export of Hydroxycinnamic Acid Amides. Plant Cell 28, 583-596
  • Lipka, V., Dittgen, J., Bednarek, P., Bhat, R., Wiermer, M., Stein, M., Landtag, J., Brandt, W., Rosahl, S., and Scheel, D. (2005). Pre-and postinvasion defenses both contribute to nonhost resistance in Arabidopsis. Science 310, 1180-1183.
  • Stein, M., Dittgen, J., Sanchez-Rodriguez, C., Hou, B.H., Molina, A., Schulze-Lefert, P., Lipka, V., and Somerville, S. (2006). Arabidopsis PEN3/PDR8, an ATP binding cassette transporter, contributes to nonhost resistance to inappropriate pathogens that enter by direct penetration. Plant Cell 18, 731-746.

Diese Seite wurde zuletzt am 21.02.2017 geändert.

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