Ein molekularer Mechanismus des „Primings” in Arabidopsis thaliana

Beckers, Gerold J. M.; Conrath, Uwe

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-30202

Ein molekularer Mechanismus des „Primings” in Arabidopsis thaliana = A molecular mechanism of priming in arabidopsis thaliana

Beckers, Gerold J. M. (Author)

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Gerold J. M. Beckers

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangXI, 55 Bl. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Conrath, Uwe (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-11-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-30202
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50277/files/Beckers_Gerold.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Priming (Genormte SW) ; Schmalwand <Arabidopsis> (Genormte SW) ; Pflanzen (Botanik) (frei) ; arabidopsis (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 580

Kurzfassung
Um die Rolle des „Primings“ bei der erworbenen Krankheitsresistenz in intakten Pflanzen zu untersuchen, und um einen genetischen Zugang zum „Priming“ in Pflanzen zu ermöglichen, wurden die Experimente zur verbesserten Induktion von zellulären Abwehrreaktionen auf die Referenzpflanze Arabidopsis thaliana ausgedehnt. Die Studien haben gezeigt, dass eine Vorbehandlung von Arabidopsis mit avirulenten (SAR-induzierenden) Pseudomonaden oder mit dem synthetischen SAR-Induktor Benzothiadiazol die nachfolgend mit sonst virulenten (Krankheit hervorrufenden) Pseudomonaden induzierte Aktivierung von PAL-Abwehrgenen in Arabidopsis stark erhöht. Mit der verbesserten PAL-Genaktivierung ist eine Steigerung der Resistenz gegen Pathogene verbunden. Besonders weiterführend sind die Befunde, dass eine Behandlung mit Benzothiadiazol die Arabidopsis-Pflanzen auch für verbesserte Wundantworten „primt“ und dass das „Priming“ in Arabidopsis von einem wichtigen molekularen Schalter der SAR, dem so genannten NPR1-Protein abhängig ist. In einem revers-genetischen Ansatz haben wir kürzlich einen ersten Kandidaten für einen molekularen Schalter des „Primings“ in Arabidopsis identifiziert. Wir haben gefunden, dass mit dem “Priming” in Arabidopsis eine Anreicherung von Transkripten für die sog. Mitogen-aktivierte Protein (MAP)-Kinase 3 (MPK3) und die MPK6, als auch eine Anhäufung der kodierten MPK3- und MPK6-Enzyme verbunden ist. Mit der Anreicherung von MPK3/6-mRNA und -Protein ist MPK3/6-Aktivität aber nicht verbunden. Diese wird erst induziert, wenn die Pflanzen nachfolgend einem biotischen oder einem abiotischen Stress ausgesetzt werden. Der in „geprimten“ Pflanzen erhöhte Gehalt an MPK3 und MPK6 führt bei der nachfolgenden Stimulation zur erhöhten MPK3/6-Aktivität, die von einer Verstärkung zellulärer Abwehrreaktionen begleitet ist. Der Befund, wonach das „Priming“ in einer mpk3-Mutante von Arabidopsis nicht mehr induziert werden kann, in mpk6 aber kaum beeinflusst ist, belegt zweifelsfrei, dass die MPK3-Kinase beim „Priming“ in Arabidopsis eine Schlüsselrolle hat.

In plants and animals acquired immunity to biotic and abiotic stress is associated with priming of cells for faster and stronger activation of defense responses. It has been hypothesized that cell priming involves accumulation of latent signaling components that are inactive until challenge exposure to stress. However, the identity of such signaling components has remained elusive. Here I show using various chemical compounds or inoculation with avirulent bacterial pathogens, that induction of the primed state of Arabidopsis thaliana, requires accumulation of mRNA and inactive protein of mitogen-activated protein kinases (MPK) 3 and MPK6. Only upon challenge exposure to biotic or abiotic stress, MPK3/MPK6 enzymes were strongly activated in primed plants, resulting in enhanced defense gene expression and manifestation of acquired immunity. Strong elicitation of stress-induced MPK3/MPK6 activity is also seen in the constitutive priming mutant edr1, while it was attenuated in the priming-deficient npr1 mutant. Moreover, priming of defense gene expression and acquired immunity were lost in mpk3 and mpk6 mutant plants. My findings unveiled for the first time that pre-stress deposition of the signaling components MPK3 and MPK6 is a critical step in priming plants for potentiated defense responses. In addition, I conducted and validated a proteome-wide analysis of phosphorylated proteins to identify novel candidate proteins involved in the priming mechanism in Arabidopsis. A thorough understanding of the molecular mechanism of priming in Arabidopsis will contribute to modern pest management in the field and likely lead to new discoveries in non-plant research.

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