Untersuchungen zur Rolle von stress-induzierbaren Lipoxygenase-Aktivitäten in Weizen

Seiler, Angelika; Grambow, Hans-Jürgen

doi:1838

Untersuchungen zur Rolle von stress-induzierbaren Lipoxygenase-Aktivitäten in Weizen = Investigations on the Role of Stress-Induced Lipoxygenase Isoforms in Wheat Plants

Seiler, Angelika (Author)

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Angelika Seiler, geb. Zimmermann

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

Umfang182 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Grambow, Hans-Jürgen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-01-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-18384
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62318/files/Seiler_Angelika.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Weizenschwarzrost (frei) ; Pathogene Pilze (frei) ; Elicitor (frei) ; Lipoxygenasen (frei) ; cDNS (frei) ; Weizen (frei) ; Stress-Induktion (frei) ; Wheat (frei) ; Lipoxygenase (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung Stress-induzierbarer Weizen-Lipoxygenasen (Weizen-LOX). Insbesondere sollte die Rolle von Weizen-LOX nach Pathogenbefall und nach Elicitierung untersucht werden. Hierbei spielen sowohl 9- als auch 13-LOX-Spezies eine Rolle. Zur Untersuchung beider LOX-Spezies wurden verschiedene Ansätze verfolgt. Zunächst wurde die protein- und biochemische Charakterisierung von bekannten induzierbaren Weizen-LOX-Enzymen fortgeführt. Der Fokus dieser Untersuchungen lag bei den hochaktiven LOX-92- sowie den plastidären LOX-103-Spezies. Bei den LOX-92 handelt es sich aufgrund der Positionsspezifität um Vertreter der 9-LOX. Unabhängig vom vorangegangenen (Stress-) Reiz sind sie für etwa 80% der LOX-Enzymaktivität verantwortlich. Sie sind nicht in den Plastiden zu finden, offenbar sind sie im Cytoplasma lokalisiert. Northern-Analysen zeigten, dass ihre Induktion nach Pathogenbefall und Elicitierung nicht auf eine de novo-Synthese zurückführbar ist. Eine posttranslationale Aktivierung der LOX-92 ist daher wahrscheinlich. Mithilfe einer über RT-PCR konstruierten Weizen-LOX-Sonde (L500) konnte eine vollständige Weizen-LOX cDNA, die LOX2 Ta1, kloniert werden. Es gibt ausreichend Hinweise, dass LOX2 Ta1 und LOX-103 identisch sind. Sie sind mit hoher Sicherheit Vertreter der 13-LOX. Für die LOX2 Ta1 ist eine Induktion durch Methyljasmonat (Meja) und Verwundungsstress auf RNA-Ebene gezeigt worden. Mit Hilfe von Northernanalysen, Sequenzanalysen und durch die Einordnung in einen phylogenetischen Stammbaum konnte die LOX2 Ta1 gut charakterisiert werden: Es handelt sich um eine 102 kDa 13-LOX mit einer putativen Chloroplasten-Zielsequenz. Gemäß neuerer Nomenklatur gehört sie demnach zu den Typ2-LOX. Sie muss aufgrund ihres hohen Instabilitätsindex von 48,76 als ein instabiles Molekül eingeordnet werden. Hohe LOX-Enzymaktivitätsverluste innerhalb weniger Tage bestätigen diese Klassifizierung. Über den phylogenetischen Stammbaum konnte eine enge Verwandtschaft zu zwei Gramineen-LOX-Enzymen dokumentiert werden, der LOX2 Hv 1 (Vorös 1998) aus Gerste und zur LOX2 Os2 (Zabbai 2004) aus Reis. Diese beiden LOX scheinen eine Rolle bei der induzierten Resistenz zu spielen. Für die LOX2 Ta1 konnte dies bisher nicht bewiesen werden. Jedoch akkumulieren ihre Transkripte nach Inokulation mit dem Nicht-Wirt Blumeria graminis f. sp. hordei, dem echten Gersten-Mehltau. Nach Pathogen- bzw. Stress-Induktion werden sowohl die cytosolische 9-LOX LOX-92 als auch die plastidäre 13-LOX LOX-103 (= LOX2 Ta1) zeitgleich aktiviert. Eine gemeinsame Regulation im Rahmen der Signal- und Reaktionsnetze beim Ablauf pflanzlicher Abwehrreaktionen wird diskutiert. Zusätzlich ergaben sich Hinweise, dass bisher nicht identifizierte Komponenten eine wichtige Rolle bei der LOX-Stabilität und -Aktivität beim Weizen spielen.

Lipoxygenases (LOX) catalyze the hydroperoxidation of unsaturated fatty acids. Depending upon the site of the hydroperoxy insertion LOX-isoforms are classified into a 9-LOX family and a 13-LOX family, respectively. It has been documented in a large number of earlier investigations that LOX activity increases in plants in response to pathogen attack or elicitation. This study focuses on the LOX-92 (Mr 92,000) and also on the LOX-103 (Mr 103,000) isoforms which were identified in wheat leaves in an earlier study (Bohland et al., Plant Phys. 114, 679-685, 1997). The strongly induced LOX-92, which represents more than 80 % of the LOX activity in stressed wheat leaves and which most probably is a cytosolic LOX species, has been shown to be a member of the 9-LOX family. Attempts to obtain LOX-92 protein in a sufficiently pure state to be able to obtain peptide sequence information failed due to it's extreme lability. Thus, it was not possible to clone LOX-92 by targeted PCR amplification. Northern blot analysis using a general probe for LOX sequences showed that activation of LOX-92 apparently did not occur by de novo synthesis but rather by a posttranslational mechanism. In another attempt to clone LOX-92 using degenerate probes for consensus LOX sequences, a full length wheat LOX cDNA, LOX2 Ta1 was cloned. The results indicate that LOX2 Ta1 is probably identical to LOX-103. LOX2 Ta1 (LOX-103) was further characterized by Northern blot analysis, sequence analysis, and positioning in a phylogenetic tree: (1) LOX-103 is induced by methyljasmonate and wounding at the RNA level. (2) LOX-103 is a 13-LOX species with a putative chloroplast leader sequence. (3) LOX-103 shows a close relationship to two other gramineous LOX species, the LOX2 Hv1 (Vorös et al., Eur. J. Biochem. 251, 36-44, 1998) and the LOX2 Or2 (Zabbai et al., Physiol. Mol. Plant Pathol. 64, 37-43, 2004). These species seem to play a role in induced resistance. Other aspects of this study include the identity and characteristics of LOX in wheat cell suspension cultures and also the possible existence of non-identified cell factors affecting LOX stability. The results are discussed in terms of a hypothesis in relation to other relevant work which accentuates the possible role of both the 9-LOX and 13-LOX isoforms within the intercellular signalling network determining the plant defence response.

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