Mastermodul-Vorlesung Biochemie Molekulargenetik der ... · →Stomata schliessen nicht mehr →Wasserverlust der Blätter und Verwelken Σdas Pathogen hat leichtes Spiel mit den

Mastermodul-Vorlesung Biochemie Molekulargenetik der Pflanze-Pilz-Interaktion

MastermodulMastermodul BiochemieBiochemie

WS 2008/ 09WS 2008/ 09

Lars VollLars VollLehrstuhl fLehrstuhl füür Biochemier Biochemie

AG StoffwechselAG [email protected]@biologie.uni--erlangen.deerlangen.de

Phytopathogene Pilze &Phytopathogene Pilze & die die induzierte pflanzlicheinduzierte pflanzliche AbwehrantwortAbwehrantwort


Wichtige relevante Wichtige relevante Fakten Fakten üüberber PilzePilze


Die pilzliche Zellwand enthält Chitin

Chitin:Monomer: β-N-Acetyl-GlucosaminVerknüpfung: β(1→4)

Cellulose:Monomer: β-D-GlucoseVerknüpfung: β(1→4)


Wie sehen Pilzzellen aus?Wie wächst ein Pilz?

- Zumeist zeigen Pilzhyphen apikalesWachstum

- poröse Septen trennen die Zellenvoneinander

- cytoplasmatisches KontinuumGgs.: Coenocytische Hyphe

Septierte Hyphe


ErnErnäährungsstrategien hrungsstrategien phytopathogenerphytopathogener OrganismenOrganismen

anhand des Beispiels anhand des Beispiels phytopathogenerphytopathogener PilzePilze


Pilze

parasitischsaprophytisch

mutualistisch

Welche pilzlichenErnährungsformen gibt es?

ernähren sich von toter organischerSubstanz leben in Symbiose

Phytopathogene


Beispiele für saprophytischesPilzwachstum

Die meisten Pilze haben eine saprophytische Lebensstrategie:

1) Hyphen sektretieren lytische Enzyme zum

2) Abbau organischer Substanzen wie Cellulose, Stärke, Lignin, Proteine

3) Abbauprodukte wie organische Säurenoder Aminosäuren werden von den Hyphen aufgenommen

z.B. sog. Schwämme


Pilze


mutualistisch

Pilze als Mutualisten


Phytopathogene


http://www.ipb-halle.de/myk/start/A8/index.html

Pilze als pflanzliche Symbionten –Mykorrhizen

Endomykorrhiza Endomykorrhiza

80% aller Kormophyten

Bäume - Ständerpilze


NO3-

PO43-

NH4+

PO43-

Zucker,Aminosäuren

Nutzung derfeinerenOberflächenstrukturund der grösserenResorptionsfläche

Bereitstellung von Assimilaten

Die Arbuskuläre Mykorrhiza ist die ökologisch bedeutendste Form


Pilze


mutualistisch

Aber nun zum eigentlichen Thema:Phytopathogene Pilze


Phytopathogene


Phytopathogene Pilze

nekrotrophbiotrophhemibiotroph

Auch diese Gruppe kann ernährungs-strategisch unterteilt werden

- ernähren sich von lebenden Wirtszellen

- hohe Wirtsspezifitätund starke Diversifi-zierungz.B. Ausbildung von

f. sp. (forma specialis)

- wachsen zuerst(zumeist) kurzbiotroph, dannnekrotroph

- moderateWirtsspezifität

- sekretieren Zellwand-degradierende Enzyme und/ oder Toxine

- Pflanzengewebe wirdVOR der Besiedelungabgetötet

- breite Wirtsspezifität


Haustorium

Conidiospore

Conidiophoren

Mehltau-Pilze sind klassische biotrophe Vertreter

Blumeria graminis f.sp. hordeiGerstenmehltaupilz


Der Lebenszyklus von Blumeria graminis f.sp. hordei

Intern, aber nicht intrazellulär

Mycel ist extern auf derBlattoberfläche

Both et al. (2005),Plant Cell 17: 2107

Conidium: = Mitospore Keimschlauch

Blumeria graminisf.sp. sind Haplonten


Blumeria graminis f.sp. hordeiist ein Ascomycet

Ridout et al. (2006),Plant Cell 18: 2402


BiotropheBiotrophe PilzePilze brauchenbrauchen MetabolitMetabolit--TransporterTransporterzurzur AufnahmeAufnahme organischerorganischer CC-- und Nund N--GerGerüüsteste

SaccharoseHexosen

INV

AminosAminosääurenuren

HexosenHexosen

WachstumWachstum

Saccharose

ASAS

ASAS

biotroph:Blumeria graminis f.sp. hordeiPuccinia graminis f.sp. Tritici

Ustilago maydis


- Seneszenz der Blätter wird verhindert(Cytokinin)

- Zelltod wird gebremst(Induktion von Cystatinen, BAX-Inhibitoren)

Cytokinin

Blumeria graminis f.sp. hordeihält die Wirtszellen aktiv am Leben

Zelltod-Inhibitoren




Hemibiotrophepilzliche Phytopathogene









Mastermodul-Vorlesung Biochemie Molekulargenetik der Pflanze-Pilz-InteraktionS - Conidiospore

A - Appressorium

V – Infektionsvesikel

(kein Haustorium)

PH – biotrophe

Primärhyphen

SH – z.T. nekrotrophe

Sekundärhyphen

Mendgen und Hahn (2002),Trends Plant Sci. 7: 352

Ablauf einer hemibiotrophen Interaktion bei Colletotrichum sp.

Wassertropfen

Übergang in den Apoplasten und

Sekretion lytischerEnzyme

Colletotrichum sp.sind Ascomyceten


Colletotrichum-Artenerregen Anthracnose

Colletotrichum graminicola -Zea mays

Colletotrichum musae -Musa domesticaColletotrichum actuatum -

Fragaria sp.

Gnomonia veneta -Platanus sp.


In den Tropen ist Colletotrichum gloeosporioidesist ein ökönomisch bedeutsames Pathogen

Colletotrichum gloeosporioides-Papaya

Colletotrichumlindemuthianum -Bohne

Colletotrichum gloesporioides –Maniok

Colletotrichumgloeosporioides –Yam

Colletotrichum gloeosporioides-Mango


C. C. higginsianumhigginsianum-- istist virulent auf der Modellpflanze virulent auf der Modellpflanze ArabidopsisArabidopsis thalianathaliana-- erzeugterzeugt NekrosenNekrosen wwäährendhrend des des nekrotrophennekrotrophen WachstumsWachstums

NekrosenNekrosensind photosynthetisch inaktivsind photosynthetisch inaktiv

((ImagingImaging--PAMPAM--AnalyseAnalyse))

Colletotrichum higginsianumist virulent auf der Modellpflanze Arabidopsis


CO - Conidium

AP - Appressorium

IH – invasive Hyphe

PD - Plasmodesmos

Ein ökönomisch bedeutsames hemibiotrophesPathogen ist Magnaporthe grisea

Conidien

PD

Oryza sativa (Reis)


Der Lebenszyklus von Magnaporthe grisea

M. grisea ist ein Ascomycet


Apikale Zellen der Hyphen sind biotroph (b),ältere Hyphenzellenwerden nekrotroph (n).

Besonderheiten des phytopathogenenWachstums von Magnaporthe grisea

Invasive Hyphenpenetrieren die Nachbarzelle über Plasmodesmen(s. weiße Pfeile)

b

n n

n

b bPD




Nekrotrophepilzliche Phytopathogene










MultizelluläreAlternaria alternata-Conidien

Alternaria-Arten zählen zu den ökonomischbedeutendsten Pathogenen

Tomate

KartoffelOrange

Zitrone

Apfel


Alternaria-Arten erlangen partielle Wirts-spezifität durch rassenspezifische Toxine

AM-Toxin Ziel-Pflanze: Apfel

AF-Toxin Ziel-Pflanze: Erdbeere

AK-Toxin Ziel-Pflanze: Nashi-Birne

ACL-Toxin Ziel-Pflanze: Zitrone

ACT-Toxin Ziel-Pflanze: Mandarine

AAT-Toxin Ziel-Pflanze: Tomate

→ erhöht die Permeabilität derPlasmamembran:

Ionenverlust

I, II & III: ErdbeereI & II: Nashi-Birne

(homolog)

Ruswandi et al. (2005),J. Gen. Plant Pathol. 71: 107Zyklisches

Peptid

Derivatungesättigeter

Fettsäuren


Fusicoccin ist einwirtsunspezifisches Toxin

Fusicoccin(Fusicoccum amygdali)

Fusicoccin (Welketoxin):

- induziert Phosphorylierung und somit Aktivierung der P-ATPasean der Plasmamembran→ dauerhafter Einstrom von

K+ in die Zellen→ Stomata schliessen nicht mehr→ Wasserverlust der

Blätter und Verwelken

Σ das Pathogen hat leichtesSpiel mit den wassergestressten Pflanzen


Die pflanzliche Die pflanzliche

Abwehrantwort Abwehrantwort


Kompatibilität beschreibt die Interaktion zwischenWirt und Pathogen

Kompatibel(Wirt wird krank)

Inkompatibel(Wirt bleibt gesund)

Virulentes PathogenSuszeptibler Wirt

Avirulentes PathogenResistenter Wirt

Was ist Kompatibilität?


Basale Abwehr

Induzierte Abwehr

Präformierte Abwehr

Die Stufen der pflanzlichenAbwehrantwort


Phytoanticipine –Verteidigung VOR dem Befall

Catechin Erdbeere → Alternaria alternata

Protocatechuinsäure Zwiebel → Colletotrichum circinans

Saponine Tomate, Hafer → diverse Pathogene

Antimikrobielle Substanzen werden konstitutiv (immer, auch schon vordem Befall) synthetisiert→ Gegenwart von Phytoanticipinen resultiert in Nicht-Wirts-Resistenz:


Avenacin ist ein Saponin

Haferwurzel-Querschnitt(Avena sativa)

Alkaloid


Basale Abwehr

Induzierte Abwehr


Die Stufen der pflanzlichenAbwehrantwort


konservierte mikrobielle Strukturkomponenten (PAMPs) werden erkannt

AbwehrPathogen PAMP Rezeptor Signaltransduktion

(pathogen associated molecular pattern)

Wie wird die basale Abwehr aktiviert?

In Bakterien Flagellin FlagellenproteinLipopolysaccharide Membrankomponenten

In Pilzen Chitin Zellwandbestandteil


LRRLRR--RezeptorenRezeptoren vermittelnvermitteln dasdasAbwehrsignalAbwehrsignal direktdirekt oderoder mittelbarmittelbar

Bakterielle PAMPs:FLS2:Flagellin-Rezeptor(LRR-Rezeptorkinase)

EFR:EF-Tu-Rezeptor(LRR-Rezeptorkinase)

Pilzliche PAMPs:CERK1:Chitin-Rezeptor(LysM-Rezeptorkinase)


Keimschlauch

SofortSofort nachnach derder ErkennungErkennung derder PAMPsPAMPswerdenwerden strukturellestrukturelle BarrierenBarrieren errichteterrichtet

Kallose-Papillen- β-1,3-Glucan→ funktioniert nur innerhalb der ersten

Stunden nach der Infektion→ über Kompatibilität der Interaktion entscheiden Minuten

Mehltau-ConidiosporeToxische Phenole(Gelbe Fluoreszenz)


AbwehrMicrobe PAMP Receptor Signal transduction

KrankheitMicrobe PAMP Receptor Signal transduction

Effektoren: unterdrücken die (basale) Wirtsabwehr

(pathogen associated molecular pattern)

Avr-Proteine dienen ursprünglichder mikrobiellen Pathogenität


Basale Abwehr

Induzierte Abwehr


Mikrobielle Elicitoren erregen die Induzierte Abwehrantwort


Am

plitu

de d

er A

bweh

rant

wor

t

Niedrig

Hoch

Schwelle für HR

Schwelle für effektive Resistenz

PTI

PAMP = Pathogen-associated molecular patternPTI = PAMP-triggered immunityETS = Effector-triggered susceptibilityETI = Effector-triggered immunity

PAMPs

Pathogen-Effektoren

(Avr)

ETS

Avr-R

ETSETI ETI

Jones & Dangl (2006) Nature 444, 323

Avr-R

Wirts-Resis-tenzprotein

(R)

Das Verhältnis von basaler und induzierter Abwehr beschreibt das Zick-Zack-Modell


CytoplasmatischeCytoplasmatische LRRLRR--ProteineProteine stellenstellendie die meistenmeisten RR--Gene Gene dardar

Membranständige LRR-Rezeptorkinasen

erkennen PAMPsund Avr-Elicitoren

cytoplasmatischeLRR-Proteine

sind nur in die induzierte

Abwehrantwortinvolviert


RR: : ResistenzResistenz--FunktionFunktion des des WirtsWirts

= Rezeptor= Rezeptor

AvrAvr: : AvirulenzAvirulenz--FunktionFunktion des des PathogensPathogens

Flors Gen-für-Gen-Hypothese (1940)beschreibt monogenische Resistenz

AvrAvr: : funktioneller funktioneller EffektorEffektor

RR++

ETIETI ETSETS

ETSETS ETSETS

ETS = Effector-triggeredsusceptibility

ETI = Effector-triggeredimmunity


Pflanzliche Resistenz

monogenischnicht-WirtpolygenischAlle Individuen einer

Pflanzenart sind gegenalle Individuen einerPathogenart resistent

Gründe:- Vorhandensein vonPhytoanticipinen

- Pathogen erregt basaleAbwehrantwort

- viele genetisch unge-koppelte, quantitative Eigenschaften addie-ren sich:

z.B. Produktion unselektiverToxine, schnellerePapillenbildung, Geschwindigkeit derbasalen Abwehrantwort

Nur bestimmte Individueneiner Pflanzenart sindgegen einzelne Individueneines Pathogens resistent

- die Resistenz hängt von einem einzigenGenprodukt ab

RassenspezifischeResistenz

Arten der pflanzlichen Resistenz


Welche molekularen Welche molekularen VorgVorgäängenge werdenwerden

durchdurch PathogenerkennungPathogenerkennunginduziertinduziert??


PeroxidaseH2O2O2-NADPH-Oxidase

Oxidative Burst(in der Zellwand)

DerDer Oxidative BurstOxidative Burst imim ApoplastenApoplasten greiftgreift den den EindringlingEindringling radikalischradikalisch anan

Aktivierung Ca2+-Kanal

Ca2+-Influx

Ca2+-Signal:Calcium-abh. Proteinkinasen

CDPKs etc.

MAPKKK

MAPKK

MAPK

Rezeptor-Aktivierung


antifungalLipid-Transfer-ProteinePR-14antifungalThioninePR-13antifungalDefensinePR-12ChitinaseTabak, Klasse V-ChitinasePR-11RibonucleasePetersilie PR-1PR-10PeroxidaseTabak, Lignin-bildende PeroxidasePR-9ChitinaseChitinase, GurkePR-8EndoproteinaseP 69, TomatePR-7Proteinase-InhibitorInhibitor 1, TomatePR-6antifungal, anti-OomycetTabak PR-SPR-5antifungalTabak PR-RPR-4ChitinaseTabak PR-P & -QPR-3β−1,3-GlucanaseTabak PR-2PR-2antifungal, anti-OomycetTabak PR-1aPR-1FunktionGenFamilie

PR PR (pathogenesis related)(pathogenesis related)--Gene Gene werdenwerden stark stark exprimiertexprimiert


Die Die massivstemassivste Form Form derder AbwehrAbwehr istist die die hypersensitive hypersensitive AntwortAntwort ((HRHR) )

N – Nukleus PS – Protoplasmastränge H – Haustorium

Z – Appressorium NC – nekrotische Zelle G - Granula

hypersensitive response


Die Die hypersensitive hypersensitive AntwortAntwort (HR) (HR) stelltstellt eineeineForm des Form des ProgrammiertenProgrammierten ZelltodsZelltods ((PCDPCD) ) dardar

Bei der hypersensitive responsewerden Zellkern und Organellen spontan (innerhalb 8-12 h) aufgelöst- kein Abtransport der Nährstoffe

HR

Toxische Phenole(Gelbe Fluoreszenz)


Die Die Geschwindigkeit der Geschwindigkeit der pflanzlichenpflanzlichen AbwehrantwortAbwehrantwort

entscheidet entscheidet üüberberResistenzResistenz oder oder SuszeptibilitSuszeptibilitäätt


Am

plitu

de d

er A

bweh

rant

wor

t

Niedrig

Hoch

Schwelle für HR

Schwelle für effektive Resistenz

PTI

PAMP = Pathogen-associated molecular patternPTI = PAMP-triggered immunityETS = Effector-triggered susceptibilityETI = Effector-triggered immunity

PAMPs

Pathogen-Effektoren

(Avr)

ETS

Avr-R

ETSETI ETI

Jones & Dangl (2006) Nature 444, 323

Avr-R

Wirts-Resis-tenzprotein

(R)

R-Gen-vermittelte spezifische Abwehr-antworten verlaufen schneller und stärker


Durch das Opfern einzelner Zellen im programmed cell death wird die Ausbreitung der Infektion vermieden→ Organismus bleibt gesund

HR

HR

HR

AlsAls ResultatResultat derder HRHR entstehenentstehen nekrotischenekrotischeLLääsionensionen auf den auf den BlBläätternttern


DurchDurch HRHR wirdwird biotrophenbiotrophen PathogenenPathogenen die die ErnErnäährungsgrundlagehrungsgrundlage genommengenommen

SaccharoseHexosen

INV

AminosAminosääurenuren

HexosenHexosen

WachstumWachstum

Saccharose

ASAS

ASAS

XX

Eine tote Zelle kann keine Saccharoseund keine Aminosäuren mehraustransportieren!


Basale Abwehr

Induzierte Abwehr


Die induzierte Abwehr wirdüber Phytohormone koordiniert

Salicylsäure (SA)Jasmonat (JA)


SalicylsSalicylsääureure (SA) (SA) vermitteltvermittelt die die systemischsystemischerworbeneerworbene ResistenzResistenz ((SARSAR))

Salicylsäure:- bei Virenbefall- bei biotrophen Pathogenen

SARSAR

SARSAR

SASA--AnalogaAnaloga


JasmonateJasmonate (JA) (JA) spielenspielen beibei anderenanderenAbwehrantwortenAbwehrantworten ehereher eineeine RolleRolle

Jasmonat/ MethylJA: - bei Verwundung/ Fraß- bei nekrotrophen Pathogenen

Salicylsäure:- bei Virenbefall- bei biotrophen Pathogenen

PR-Proteine(Subgruppe II)

PR-Proteine(Subgruppe I)

- -


antifungalLipid-Transfer-ProteinePR-14antifungalThioninePR-13antifungalDefensinePR-12ChitinaseTabak, Klasse V-ChitinasePR-11RibonucleasePetersilie PR-1PR-10PeroxidaseTabak, Lignin-bildende PeroxidasePR-9ChitinaseChitinase, GurkePR-8EndoproteinaseP 69, TomatePR-7Proteinase-InhibitorInhibitor 1, TomatePR-6antifungal, anti-OomycetTabak PR-SPR-5antifungalTabak PR-RPR-4ChitinaseTabak PR-P & -QPR-3β−1,3-GlucanaseTabak PR-2PR-2antifungal, anti-OomycetTabak PR-1aPR-1FunktionGenFamilie

PRPR--Gene Gene werdenwerden spezifischspezifisch durchdurchSASA oderoder JAJA aktiviertaktiviert

SASASA

SAJA

JA

JAJASA

JA

SASA


JeJe nachnach Pathogen Pathogen unterscheidetunterscheidet sichsich dasdas GleichgeGleichge--wichtwicht zwischenzwischen SASA-- und und JA/ EtJA/ Et --vermitteltervermittelter AntwortAntwort

SA-Weg

SA-Weg

SA-Weg

JA/ Et-Weg

JA/ Et-Weg

hier: Infektion von Arabidopisismit Colletotrichum higginsianum

Narusaka et al. (2004),MPMI 17: 749


Die Die KommunikationKommunikation derder PhytohormonPhytohormon--SignalwegeSignalwege hilfthilft beibei derder Wahl Wahl derder WirtsantwortWirtsantwort

SA

Biotrophe

-JA

Herbivore

-JA/ Et

Nekrotrophe

-

Achtung! Stark vereinfacht!

tierischeElicitoren

HRPR-

Proteine

AllelopathikaPhytotoxinePR-Proteine

PAMP-SignaleR-Gen-vermittelte Erkennung

ABA (Abscisinsäure)Abiotischer Stress

Documents

Mastermodul-Vorlesung Biochemie Molekulargenetik der ... · →Stomata schliessen nicht mehr →Wasserverlust der Blätter und Verwelken Σdas Pathogen hat leichtes Spiel mit den