Mechanismen der Resistenzinduktion durch Protonenstress : Bedeutung des Xylems als Signalweg

Abstract

In Gerste kann durch Protonenstress eine Papillen-vermittelte Resistenz gegenüber Gerstenmehltau (Blumeria graminis f. sp. hordei) induziert werden. In dieser Arbeit wurden Komponenten des Mechanismus der Induzierten Resistenz im Xylemexsudat, dem vermutlichen Signalweg zwischen Wurzel und Spross, untersucht. Durch Zweidimensionale Gelelektrophorese des Xylemexsudates konnten 450 Proteinspots aufgetrennt werden. Davon wurden 67 differentiell regulierte Proteinspots mittels MALDI-TOF identifiziert und in die hypothetischen Funktionseinheiten Pathogenabwehr, Komponenten der Signaltransduktion, Zellwandmetabolismus und Zucker- bzw. Stickstoffmetabolismus eingeordnet. Ein Vergleich mit dem Proteinmuster von Gerstenpflanzen, in denen durch Salzstress eine Pathogenresistenz induziert wurde, wurde durchgeführt, um Proteinspots der allgemeinen Stressantwort von denen spezifisch an der Induzierten Resistenz beteiligten unterscheiden zu können. Die sehr ähnlichen Proteinmuster der 2D-Gele und identisch regulierte Proteine lassen auf eine ähnliche Signaltransduktion mit gemeinsamen Knotenpunkten schließen, die entweder der allgemeinen Stressantwort zuzurechnen ist oder gemeinsame resistenzinduzierende Faktoren darstellen. Von den im Xylemexsudat identifizierten Proteinspots wurden fünf Protein näher charakterisiert. Das translational kontrollierte Tumorprotein (TCTP) zeigte eine Induktion durch Protonenstress und besitzt eine Funktion beim Schutz der Zellen vor Stress. Bei der Induzierten Resistenz der Gerste könnte dieses antiapoptotische Protein an der Unterdrückung der HR bei der Papillen-vermittelten Resistenz beteiligt sein. Die Cinnamyl-Alkohol-Dehydrogenase (CAD) wurde ebenfalls durch Protonenstress in der Transkriptmenge und auf der Proteinebene stark induziert. Die Beteiligung der CAD an der Resistenz wird vermutlich durch eine Modulation des Ligningehaltes und dessen Zusammensetzung in den Zellwänden und den Papillen erreicht. Die eigentlich an der Glykolyse beteiligte Glycerinaldehyd-3-Phosphat-Dehydrogenase (GAPDH) zeigte unter Protonenstress zwar eine konstante Transkriptmenge dafür aber eine starke Regulation auf der Proteinebene. Seine mögliche extrazelluläre Funktion liegt in der Verknüpfung der glycolytischen Signalwege. Aus den Klassen der PR-Proteine konnte ein PR1-Protein und mehrere Proteine der 2. Klasse (Glucanasen) identifiziert werden. Die Glucanasen sind als Bestandteile der pflanzlichen Pathogenabwehr und für die Freisetzung von Elizitoren aus der Zellwand bekannt. Das identifizierten PR1-1 Protein besitzt eine bisher noch unbekannte Funktion und zeigt eine koordinierte starke Induktion bei der Transkript- und Proteinmenge unter Protonenstress. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird PR1-1 als mögliches resistenzinduzierendes Signal bei der Wurzel-Spross-Kommunikation gesehen. A papilla-mediated resistance of barley against barley powdery mildew (Blumeria graminis f. sp. hordei) can be induced by proton stress. Here, elements of the mechanism of induced pathogen resistance were analyzed in xylem exudate, which is probably the signalling pathway between root and shoot. 450 protein spots were visualized by two-dimensional gel electrophoresis (2D-PAGE) of the xylem exudate. 67 of these differentially regulated proteins were identified by means of MALDI-TOF. They were classified into the hypothetical groups defence-related proteins, components of the signalling pathway, cell wall metabolism and sugar and nitrate metabolism. A comparison of the protein patterns with those of barley plants with salt stress induced pathogen resistance was done in order to distinguish proteins of the common stress response from those for specific induced resistance. The protein patterns resolved by 2D-PAGEs show a strong similarity with identically regulated proteins. It was concluded that there are cross links in the signalling between proton and salt stress. Whether these cross links, however, are part of the common stress response or show common resistance-inducing factors is not known. Proteins representing five protein classes were identified in the xylem exudate and characterized in more detail. The translationally controlled tumor protein (TCTP) is induced by proton stress and has a function in the protection of cells under stress conditions. During papilla-mediated defense of barley these antiapoptotic proteins could be involved in the repression of the HR. The cinnamyl alcohol dehydrogenase (CAD) was also transcriptionally and translationally induced by proton stress. CAD is supposed to be involved in induced resistance by modulation of the amount and composition of lignin in cell walls and papillae. Although glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH), commonly known as an enzyme of glycolysis, shows a constant amount of GAPDH-transcripts, the amount of GAPDH-proteins is strongly regulated by proton stress. An assumed extracellular function of this protein is the connection of glycolytic signalling pathways. Of the group of pathogenesis-related (PR) proteins one PR1-protein and multiple PR2-proteins (glucanases) were identified. Glucanases are believed to mediate a defense response because of their potential to degrade cell walls and release elicitors. The PR1-1 protein, a protein without known function shows a strong and coordinated induction of transcription and translation under proton stress. From the data of this work one can assume that PR1-1 is a resistance-inducing signal in root-to-shoot signalling. A coordinated and very strong induction of transcription and translation has been shown by the identified PR1-1 protein under proton stress. In this work, it apeared as a possible resistance-inducing signal for root-to-shoot signalling.