Dieses Gen reguliert positive und negative Immunantworten in Pflanzen

Der Mechanismus der Pflanzenabwehr, der durch den Nicht-Expressor von Pathogenese-verwandten (NPR) Genen in einkeimblättrigen Pflanzen (Pflanzen mit einem einzigen embryonalen Blatt) vermittelt wird, ist nicht gut dokumentiert. Jetzt haben Wissenschaftler der Tokyo University of Science entdeckt, wie die NPR-Genfamilie die Immunantwort im einkeimblättrigen Modell Brachypodium distachyon reguliert. Diese Ergebnisse liefern eine Blaupause für die Abwehrsysteme von Pflanzen und könnten zu mehr Forschung in Richtung widerstandsfähiger Pflanzenarten beitragen und den pestizidfreien Getreideanbau fördern.

Pflanzen können grob in zweikeimblättrige und einkeimblättrige Pflanzen unterteilt werden. Diese Gruppen unterscheiden sich nicht nur in ihrer embryonalen Struktur, sondern weisen zahlreiche andere Unterscheidungsmerkmale auf. Aus diesem Grund ist es durchaus möglich, dass ihre Immunantworten auf bestimmte Bedrohungen ebenfalls unterschiedlich sind.

Immunantworten bei Pflanzen?

Obwohl ihr Immunsystem ganz anders strukturiert ist und funktioniert als unseres, reagieren Pflanzen wie Menschen auf äußere Bedrohungen. Diese Immunantworten wurden ausführlich in zweikeimblättrigen Modellen untersucht, weniger jedoch in einkeimblättrigen Modellen.

Die Nicht-Expressor-of-Pathogenese-related (NPR)-Genfamilie ist dafür bekannt, dass sie die Abwehrsignale während eines Pathogenangriffs steuert. In Arabidopsis thaliana, einer zweikeimblättrigen Pflanze, dient NPR1 (AtNPR1) als Bindungsstelle für Salicylsäure (SA) und interagiert mit der TGA-Gruppe von Transkriptionsfaktoren (TFs), die dafür verantwortlich sind, Gene je nach Bedarf an- oder abzuschalten . Dadurch werden Abwehrgene wie das pathogenesis-related protein 1 (PR-1) aktiviert, die letztlich die immunologische Antwort der Pflanze steuern.

Passiert das auch bei Monokotylen? Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Gen-ichiro Arimura von der Tokyo University of Science in Japan beschloss, dies herauszufinden.

Sie wussten, dass einige einkeimblättrige Pflanzen wie Reis und Weizen eine ähnliche NPR1-vermittelte Immunantwort zeigen, wenn sie einem Erregerangriff ausgesetzt sind. Das Team glaubte jedoch, dass andere Monokotylen möglicherweise anders reagieren, und wollte auch andere NPRs wie AtNPR3/AtNPR4 untersuchen, die möglicherweise die gegenteilige Wirkung von NPR1 haben. Daher entschieden sich Prof. Arimura und seine Kollegen dafür, die NPR-Funktion und die Immunantwort im einkeimblättrigen Modell Brachypodium distachyon zu untersuchen, das oft als südliche Wasserlinse bekannt ist.

Ihre Studie, die in veröffentlicht wurde Das Pflanzenjournalerklärt, wie NPR-Gene in B. distachyon die TGA-geförderte Transkription von Abwehr-responsiven Genen regulieren.

Die Forscher identifizierten und klonierten zunächst Sequenzen der NPR-Gene BdNPR1, 2 und 3 von monokotylen B. distachyon, die den NPR-Sequenzen anderer zweikeimblättriger Arten, einschließlich Arabidopsis, ähnlich waren. Bei der Behandlung mit Methylsalicylat stieg die Expression von BdNPR2 signifikant an, aber nicht von BdNPR1/BdNPR3, was auf seine positive Rolle bei der pflanzlichen Abwehrreaktion hinweist. Die Forscher bestätigten auch, dass einer der BdNPRs (BdNPR2) BdTGA-1 in B. distachyon (genau wie in anderen Pflanzen) aktivierte, indem sie die Genexpression und molekulare Interaktionen in B. distachyon-Protoplasten beobachteten.

Diese Experimente zeigten, dass BdTGA1 und BdNPR2 miteinander interagierten, um die PR-1-Expression hochzuregulieren, wodurch die Rolle von NPR2 bei der Immunantwort von B. distachyon zementiert wurde.

Wurde diese Antwort von SA vermittelt? Eine weitere relevante Frage, die das Team durch die Schaffung eines mutierten NPR2-Gens beantwortete. Prof. Arimura weist darauf hin, dass „bestimmte Aminosäurereste – insbesondere die von Arginin (Arg) – für die SA-Bindung in Arabidopsis-NPRs verantwortlich sind.

Diese Mutante war bei der Erhöhung der PR-1-Expression weniger wirksam als der normale Wildtyp-NPR2, was impliziert, dass Arg468 für die SA-Bindung an NPR2 entscheidend war, was wiederum PR-1 hochregulierte.

Interessanterweise fanden ihre experimentellen Assays auch heraus, dass BdNPR1 diese Hochregulierung unterdrückte, was auf seine Rolle als Immuninhibitor in B. distachyon hindeutet.

Prof. Arimura fasst es für uns zusammen. „Wenn sich die Pflanze in einem gesunden Zustand befindet, kann BdNPR1 BdNPR2 daran hindern, BdTGA1 zu aktivieren, wodurch das PR1-Gen ausgeschaltet bleibt. Wenn die Pflanze jedoch von einem Krankheitserreger angegriffen wird, steigen die SA-Spiegel und stimulieren die BdNRP2-Expression, die dann kaskadiert und sich dreht auf dem PR1-Gen.“

Überrascht darüber, wie funktionell einzigartig BdNRP2 ist, erklärt Prof. Arimura, dass „die Sequenzähnlichkeiten zwischen NPR2 von B. distachyon und anderen Pflanzen ihre Funktionen nicht beeinflussen, die für jede Pflanzenart deutlich unterschiedlich sind“.

Aber wie lässt sich diese genetische Forschung in reale Anwendungen umsetzen? Viele wichtige Nutzpflanzen wie Weizen und Reis sind Monokotyledonen. Diese Pflanzen, die anfällig für mikrobielle Krankheitserreger und Schädlinge sind, werden mit Pestiziden behandelt, um Schäden zu vermeiden. Die Pestizide verursachen dann eine Umweltzerstörung. „Dieser Teufelskreis kann durchbrochen werden, indem man die Abwehrsysteme der Monokotyledonen versteht und ihre Anfälligkeit mit pestizidfreiem Anbau nachhaltiger angeht“, sagt Prof. Arimura, der hofft, dass diese Forschung zur Förderung der Pflanzenbiotechnologie genutzt wird.