Selbstverteidigung für Pflanzen

Selbstverteidigung für Pflanzen

Salk-Wissenschaftler charakterisieren ungewöhnliche pflanzliche Immunreaktion auf bakterielle Infektionen

LA JOLLA – Wenn Sie braune Flecken auf ansonsten gesunden grünen Blättern sehen, sind Sie möglicherweise Zeuge der Immunreaktion einer Pflanze, die versucht, die Ausbreitung einer bakteriellen Infektion zu verhindern. Manche Pflanzen sind gegen solche Infektionen resistenter als andere, und Pflanzenbiologen wollen verstehen, warum. Wissenschaftler des Salk Institute, die ein Pflanzenprotein namens SOBER1 untersuchen, haben kürzlich einen Mechanismus entdeckt, durch den sich Pflanzen entgegen der Intuition scheinbar weniger resistent gegen Infektionen machen.

Das Werk, das in erschien Nature Communications veröffentlicht vom 19. Dezember 2017 gibt Aufschluss über Pflanzenresistenzen im Allgemeinen und könnte zu Strategien zur Stärkung der natürlichen Immunität von Pflanzen oder zur besseren Eindämmung von Infektionen führen, die eine ganze landwirtschaftliche Nutzpflanze zu zerstören drohen.

„Es kommt zu großen Verlusten bei den Ernteerträgen durch Bakterien, die Pflanzen abtöten“, sagt der leitende Autor der Studie Johanna Chory, ein Forscher am Howard Hughes Medical Institute, Direktor des Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory in Salk und Empfänger des Breakthrough Prize in Life Sciences 2018. „Mit dieser Arbeit wollten wir den zugrunde liegenden Mechanismus verstehen, wie Widerstand funktioniert, und sehen, wie allgemein er ist.“

Pflanzen bekämpfen bakterielle Infektionen unter anderem dadurch, dass sie ihre eigenen Zellen abtöten, in denen bakterielle Proteine ​​nachgewiesen werden. Einige Bakterien haben jedoch eine Gegenstrategie entwickelt: Sie injizieren spezielle Proteine, die die Immunantwort der Pflanze unterdrücken, indem sie den Immunmolekülen kleine, deaktivierende chemische Markierungen, sogenannte Acetylgruppen, hinzufügen. Dieser Vorgang wird Acetylierung genannt. Was bestimmte Pflanzen dazu befähigt, diesen bakteriellen Gegenmaßnahmen zu widerstehen, während andere einer Infektion erliegen, bleibt unklar.

Um solche Pathogen-Pflanzen-Interaktionen besser zu verstehen, wandte sich Chorys Team dem gut untersuchten Unkraut zu Arabidopsis thaliana und insbesondere ein Enzym namens SOBER1 – von dem zuvor berichtet wurde, dass es die Immunantwort des Unkrauts auf ein bakterielles Protein namens AvrBsT unterdrückt. Obwohl es kontraintuitiv erscheinen mag, die Immunsuppression zur Untersuchung der Infektionsresistenz einzusetzen, waren die Salk-Biologen der Meinung, dass dies nützliche Informationen liefern könnte.

Die Forscher begannen mit der Bestimmung der Aminosäuresequenz von SOBER1 – der besonderen Reihenfolge der Bausteine, die einem Protein seine grundlegende Identität verleiht. Interessanterweise stellten sie fest, dass es einem menschlichen Enzym, das mit Krebserkrankungen in Zusammenhang steht, sehr ähnlich ist. Dieses Enzym enthält einen charakteristischen Tunnel, in den Proteine ​​mit bestimmten Modifikationen passen und im Rahmen der enzymatischen Reaktion geschnitten werden können. Es stellt sich heraus, dass SOBER1 als Teil einer riesigen Protein-Superfamilie klassifiziert werden kann, die als Alpha/Beta-Hydrolasen bekannt ist. Diese Enzyme haben eine gemeinsame Kernstruktur, sind jedoch sehr flexibel in den von ihnen katalysierten chemischen Reaktionen, die vom Fettabbau bis zur Entgiftung von Chemikalien, sogenannten Peroxiden, reichen.

Als nächstes verwendeten sie eine mehr als 100 Jahre alte Technik namens Röntgenkristallographie, um die dreidimensionale Struktur von SOBER1 zu bestimmen. Obwohl der Tunnel des Pflanzenenzyms dem menschlichen Enzym ähnelte, ragten von oben zwei zusätzliche Aminosäuren heraus: eine am Eingang und eine in der Mitte.

„Als wir diese sahen, wurde uns klar, dass sie einen dramatischen Einfluss auf die Funktion haben mussten, weil sie im Grunde den Tunnel blockieren“, sagt Marco Bürger, wissenschaftlicher Mitarbeiter und Co-Erstautor von Salk.

Um herauszufinden, was der Zweck sein könnte, verwendeten Bürger und Co-Erstautor Björn Willige, ebenfalls wissenschaftlicher Mitarbeiter, Substrate (Moleküle, auf die Enzyme einwirken) mit unterschiedlichen Längen und testeten biochemisch, wie gut sie in das Enzym passen und ob sie geschnitten werden können . Nur bestimmte Typen passen und werden abgeschnitten – sehr kurze Acetylgruppen. Dies deutete darauf hin, dass es sich bei SOBER1 um eine Deacetylase handelt – eine Enzymklasse, die Acetylgruppen entfernt. Darüber hinaus mutierte das Team SOBER1 und öffnete so den blockierten Tunnel. Mit dieser Änderung entwickelten Bürger und Willige ein Enzym, das seine starke Spezifität für kurze Acetylgruppen verlor und stattdessen längere Substrate bevorzugte.

„Für die ersten biochemischen Experimente verwendeten wir etablierte, künstliche Substrate“, sagt Willige. „Aber als nächstes wollten wir sehen, was in Pflanzen passieren würde.“

Dazu verwendeten sie Tabakpflanzen – die große Blätter haben, mit denen man leicht arbeiten kann – und ein Bakterium mit einem Protein namens AvrBsT, das bekanntermaßen die Acetylierung auslöst. Sie produzierten AvrBsT in verschiedenen Regionen von Tabakblättern zusammen mit SOBER1 und mehreren mutierten (und damit nicht funktionierenden) Versionen des Enzyms.

Blätter, die AvrBsT produzierten, wiesen braune Flecken abgestorbenen Gewebes auf,Dies weist darauf hin, dass AvrBsT ein Zelltodprogramm initiiert hatte, um die systemische Ausbreitung des Erregers einzudämmen. Blätter, die AvrBsT zusammen mit SOBER1 produzierten, sahen gesund aus, was darauf hindeutet, dass SOBER1 die Wirkung von AvrBsT umkehrte. Bemerkenswerterweise konnten mutierte SOBER1-Versionen mit geöffnetem Tunnel das Absterben des Gewebes nicht verhindern. Daraus schlossen die Forscher, dass die Deacetylierung die zugrunde liegende chemische Reaktion sein muss, die zur Unterdrückung der Immunantwort der Pflanze führt.

Die Tabaktests unterstützten die Idee, dass SOBER1 eine Deacetylase ist, die von bakteriellen Proteinen hinzugefügte Acetylgruppen entfernen würde. Ohne die Acetylgruppen, die Proteine ​​markieren, erkannte die Pflanze sie nicht als fremd und löste daher keine zelltötende Immunantwort aus. Die Blätter sahen gesünder aus, weil die Zellen nicht abstarben.

„Die Funktion von SOBER ist überraschend, weil sie infiziertes Gewebe am Leben hält, was die Pflanze gefährdet“, sagt Chory, der auch den Howard H. und Maryam R. Newman-Lehrstuhl für Pflanzenbiologie an der Salk innehat. „Aber wir fangen gerade erst an, diese Art von Mechanismen zu verstehen, und es könnte durchaus Bedingungen geben, unter denen die Wirkung von SOBER1 von Vorteil ist.“

Weitere Tests zeigten, dass die Aktivität und Funktion von SOBER1 nicht auf das Unkraut beschränkt ist Arabidopsis thaliana, kommt aber auch in einer Pflanze namens Ölraps vor, was zeigt, dass die Erkenntnisse von Chorys Labor auf landwirtschaftliche Nutzpflanzen und Biokraftstoffressourcen angewendet werden könnten.

Als nächstes möchten Bürger und Willige mit der Suche nach chemischen Inhibitoren beginnen, die SOBER1 blockieren könnten, wodurch Pflanzen eine vollständige Immunantwort auf pathogene Bakterien erhalten könnten.

Die Arbeit wurde vom Howard Hughes Medical Institute, der Deutschen Forschungsgemeinschaft, dem Human Frontier Science Program und dem Pioneer Postdoctoral Endowment Fund finanziert.