Aufdeckung der BABA-induzierten Resistenz bei Tomaten: Eine umfassende Multi-Omics-Analyse

Pflanzen sind seit jeher verschiedenen Umweltbelastungen und Angriffen durch Schädlinge und Krankheitserreger ausgesetzt. Im Laufe der Zeit haben sie zahlreiche Abwehrmechanismen entwickelt, um potenzielle Angreifer abzuwehren. Allerdings verlangsamen die basalen Immunantworten typischerweise nur die Kolonisierung von Krankheitserregern, was letztendlich zu erheblichen globalen Verlusten in der Pflanzenproduktion durch Pilze, Oomyceten, Bakterien, Insekten und Nematoden führt.

Glücklicherweise können Pflanzen, wenn sie mikrobenassoziierten molekularen Mustern (MAMPs) oder bestimmten chemischen Verbindungen ausgesetzt werden, durch „Abwehrinitiierung“ in einen Zustand verstärkter Abwehr gelangen. Durch das Defence Priming können multigene Abwehrmechanismen aktiviert werden, was zu einer relativ dauerhaften Resistenz führt. Eines der wirksamsten Grundierungsmittel ist die nicht proteinhaltige Aminosäure β-Aminobuttersäure (BABA), die verschiedene Pflanzenarten vor den unterschiedlichsten Belastungen schützt.

BABA ist ein endogener Stressmetabolit, der durch die Wirkung mehrerer Hormone, darunter Salicylsäure (SA), Jasmonsäure (JA), Abscisinsäure (ABA) und Ethylen (ET), Resistenzen induziert. Da Tomaten weltweit eine wichtige Kulturpflanze sind, ist es von großer Bedeutung, Erkenntnisse über die molekularen Grundlagen der BABA-induzierten Resistenz bei Tomaten zu gewinnen.

Gartenbauforschung veröffentlichte eine Forschungsarbeit mit dem Titel „BABA-induzierte Pathogenresistenz: Eine Multi-Omics-Analyse der Tomatenreaktion zeigt einen hyperrezeptiven Status mit Ethylen„.

Um die schützende Wirkung von BABA auf Tomatenpflanzen gegen verschiedene Krankheitserreger zu verstehen, wurden Pflanzen mit 10 mM BABA behandelt und dann biotrophem Oidium neolycopersici, hemibiotrophem Phytophthora parasitica und nekrotrophem Botrytis cinerea ausgesetzt. Die Ergebnisse zeigten, dass die BABA-Behandlung die Sporulation von O. neolycopersici und die Ausbreitung von P. parasitica signifikant reduzierte, jedoch keine Wirkung auf B. cinerea hatte.

Anschließend wurden 24 und 48 Stunden nach der BABA-Behandlung transkriptomische und proteomische Analysen durchgeführt. Durch die RNA-Sequenzierung wurden 24.562 Gene identifiziert, von denen 1.523 Gene unterschiedlich exprimiert wurden. Die Proteomanalyse identifizierte 1.808 Proteingruppen und 319 unterschiedlich exprimierte Proteine.

Wie beim Transkriptom wurden nach der BABA-Behandlung weitaus mehr Proteine ​​hochreguliert (67 %) als herunterreguliert (33 %), aber die Korrelation zwischen Proteinen und Transkriptveränderungen betrug nur etwa 10 %. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die BABA-Behandlung zu einer umfassenden Neuprogrammierung zellulärer Prozesse in Tomaten führt.

Durch den Vergleich verschiedener RNA-seq-Daten wurde festgestellt, dass fast 50 % der BABA-hochregulierten Gene auch während der durch MAMPs ausgelösten Immunität (MTI) unterschiedlich reguliert wurden, was darauf hindeutet, dass die BABA-Behandlung gemeinsame Merkmale mit MTI aufweist.

Sie verglichen auch den Satz der BABA-hochregulierten Gene mit dem Satz der Gene, die in Transkriptomik-Studien hochreguliert wurden, die an Tomatenpflanzen durchgeführt wurden, die Temperatur- und Salzstress ausgesetzt waren und mit dem Pilz Stemphylium lycopersici und FIRE infiziert waren. Es wurde festgestellt, dass 50 % der durch BABA hochregulierten Gene nur mit dem Satz von Genen überlappten, die durch abiotischen Stress hochreguliert wurden, was bestätigt, dass BABA in Tomatenpflanzen hauptsächlich als Stressfaktor wirkt.

Die Forscher führten außerdem eine KEGG- und Gene Ontology (GO)-Termanalyse durch, um die molekularen Mechanismen zu untersuchen, die der BABA-Stressreaktion zugrunde liegen. Die Ergebnisse zeigten eine signifikante Anreicherung von Genen im Zusammenhang mit den JA- und ET-Signalwegen. Darüber hinaus sammelten sich sowohl ET als auch JA in den ersten Stunden nach der BABA-Behandlung in Tomatenpflanzen an. Dementsprechend wurden die spezifischen Gene, die für die ET- und JA-Biosynthese entscheidend sind, nach der BABA-Behandlung hochreguliert.

Es gab keine signifikante Anreicherung von Genen im Zusammenhang mit dem Phytohormon SA, sondern vielmehr einen leichten Rückgang der SA-Spiegel in mit BABA behandelten Blättern. Darüber hinaus hatte die BABA-Behandlung keinen signifikanten Einfluss auf die mit der ABA-Signalübertragung verbundenen Gene. Daher wird die BABA-Stressreaktion hauptsächlich über ET- und JA-Signale gesteuert. Die kombinierte Analyse von Transkriptom und Proteom ergab, dass Proteinkinasen eine wichtige Rolle bei der BABA-Stressreaktion spielen.

Bemerkenswerterweise ergab die Studie auch, dass die BABA-Behandlung die Hochregulierung von 130 TF-Genen induziert, darunter die Familien ERF, WRKY, MYB und NAC, die eine wesentliche Rolle bei der Regulierung von Stressreaktionen in Pflanzen spielen. Durch den Vergleich der BABA-hochregulierten RLPs/WRKY-, ERF- und MYB-Gene mit aktuellen RNA-Seq-Ergebnissen für Tomatenpflanzen unter biotischem und abiotischem Stress wurde bestätigt, dass das Muster der durch BABA induzierten Hochregulierung dem bei abiotischem Stress deutlich ähnlicher ist Stress als der für biotischen Stress.

Schließlich wurde der Aminosäurestoffwechsel in mit BABA behandelten Pflanzen untersucht. Nach der BABA-Behandlung kam es zu einem deutlichen Anstieg der Enzymspiegel wie GlnRS, Glu und GABA. BABA-induzierte Veränderungen wirkten sich auch auf den Stickstoffstoffwechsel und den Phenylpropanoidweg aus. Trotz der erheblichen Veränderung der transkriptomischen Werte wurde kein Anstieg der Polyaminspiegel beobachtet, was darauf hindeutet, dass Agmatin in mit BABA behandelten Tomaten einem anderen Stoffwechselzweck dient.

Zusammenfassend ergab diese Studie, dass BABA bei Pflanzen einen vorbereiteten Zustand auslöst und ihre Abwehrreaktionen gegen Krankheitserreger verstärkt. Die BABA-induzierte Resistenz (BABA-IR) in Tomaten wurde durch die Integration von Veränderungen in Metaboliten mit Transkriptom- und Proteomdaten kartiert. Dieses Verständnis kann möglicherweise Strategien zur Resistenz gegen Krankheitserreger in Nutzpflanzen revolutionieren und landwirtschaftliche Praktiken und Erträge verbessern.