Stoffwechsel und Signaltransduktion des pflanzlichen Immunsignals Pipecolinsäure
Biochemie und Biophysik der Pflanzen
Genetik und Genomik der Pflanzen
Pflanzenphysiologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Nachdem wir als erste Forschergruppe die große Bedeutung des Pipecolatweges für die Systemisch Erworbene Resistenz (SAR) in Pflanzen erkannt hatten und alle drei Schritte der Stress-induzierbaren Biosynthese der N-Hydroxypipecolinsäure (NHP) aus L-Lysin biochemisch charakterisierten, wurde in der zweiten Phase des DFG-finanzierten Projektes „Stoffwechsel und Signaltransduktion des pflanzlichen Immunsignals Pipecolinsäure“ weiterführende Fragestellungen beantwortet. Die Biosynthese der NHP über ALD1 und FMO1 wird durch den Transkriptionsfaktor WRKY33 positiv verstärkt. Darüber hinaus wird NHP zu zwei Glucosekonjugaten, NHP-β- Glucosid (NHPG) und NHP-Glucoseester (NHPGE), deren Pathogen-induzierte Akkumulation im Arabidopsis-Blatt in reziproker Weise über den Salicylsäure (SA)-Signalweg beeinflusst wird, metabolisiert. Wir identifizierten die stark Pathogen-regulierte Glykosyltransferase UGT76B1 als NHP-metabolisierende NHPG-Synthase und charakterisierten das Enzym biochemisch. Bemerkenswerterweise glykosyliert UGT76B1 sowohl NHP als auch SA und wandelt somit die beiden Schlüsselsignale der SAR in die inaktiven Glucoside NHPG bzw. SAG um. Detaillierte Metabolitenanalysen und Resistenzassays mit UGT76B1-Defektmutanten bzw. Überexpressionslinien deckten auf, dass UGT76B1 als zentrales Schalterprotein wirkt, das die basale Immunität naiver Pflanzen auf einem niedrigen Niveau hält und den SAR-Zustand inokulierter Pflanzen durch die simultane Inaktivierung der beiden Schlüsselsignale NHP und SA beendet. Somit koordiniert UGT76B1 die für Pflanzen wichtige, umweltabhängige Balance zwischen Wachstums- und Verteidigungsfähigkeit. Unsere RNA-Sequencing-Analysen zeigten auf, dass eine exogene NHP-Gabe ausreicht, um eine transkriptionelle Antwort im Arabidopsis-Blatt zu erzeugen, die der biologisch-induzierten SAR-Antwort stark ähnelt. Auf der Suche nach stromabwärts vom NHP-Signal wirkenden Faktoren identifizierten wir den transkriptionellen Co-Regulator NPR1 und TGA Transkriptionsfaktoren als Schlüsselmediatoren der NHP-induzierten Resistenz- und Transkriptionsantwort bei der SAR. Nach einem lokalen Pathogenkontakt vermitteln die TGA-Faktoren dabei vor allem systemische Änderungen der Abwehrgen-Transkription. NHP bindet im Gegensatz zur SA nicht direkt an NPR1 und leitet das NHP-Signal auf bisher ungeklärte Weise weiter. Wir zeigten weiterhin, dass eine Hauptfunktion der NHP die Etablierung eines Priming-Zustandes darstellt, der Pflanzen erlaubt, schneller und effizienter künftige Pathogenangriffe abzuwehren. Das über NHP induzierte Priming wird durch die SA verstärkt und verläuft NPR1-abhängig. Mehrere unabhängige Ergebnisse weisen darauf hin, dass ein Teil des im lokal-inokulierten Blatt gebildeten NHP während der SAR-Etablierung in entfernte Blätter wandert. So akkumuliert NHP bereits in den entfernten Blättern lokal inokulierten Arabidopsis-Pflanzen, bevor andere systemische Abwehrreaktionen nachweisbar sind. Obwohl die Arabidopsis-Mutante tga/2/5/6 ist nicht in der Lage ist, die Expression der NHP-Biosynthesegene ALD1 und FMO1 in den entfernten Blättern zu aktivieren, akkumuliert sie systemisch zwar reduzierte, aber signifikante Mengen an NHP, was durch eine Translokation aus dem inokulierten Blatt erklärbar ist. Ein Blatt-zu-Blatt-Transport konnte durch Applikationsexperimente mit exogener (D9-markierter) NHP direkt nachgewiesen werden. Schließlich akkumuliert NHP auffällig stark im Phloem-Saft der Gurke, der aus den Petiolen inokulierter und entfernter Blätter gewonnen wurde. Schließlich legen unsere Ergebnisse nahe, dass sowohl der NHP-Biosyntheseweg als auch die Wirksamkeit der NHP als SAR-induzierende Substanz in den Angiospermen konserviert ist. Dabei schützt NHP vor den Angriffen eines breiten Spektrums von Pathogenen mit unterschiedlichsten Infektionsweisen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2018) A MPK3/6- WRKY33-ALD1-pipecolic acid regulatory loop contributes to systemic acquired resistance. Plant Cell 30: 2480–2494
Wang Y, Schuck S, Wu J, Yang P, Döring A-C, Zeier J, Tsuda K
(Siehe online unter https://doi.org/10.1105/tpc.18.00547) - (2018) L-Lys metabolism to N-hydroxypipecolic acid: an integral immune-activating pathway in plants. Plant J 96: 5–21
Hartmann M, Zeier J
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/tpj.14037) - (2018) Method for inducing acquired resistance in a plant. EPA 117201923
Zeier J, Hartmann M
- (2019) N-hydroxypipecolic acid and salicylic acid: a metabolic duo for systemic acquired resistance. Curr Opin Plant Biol 50: 44-57
Hartmann M, Zeier J
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.pbi.2019.02.006) - (2020) Method for inducing acquired resistance in a plant. US Patent App. 16/763, 737
Zeier J, Hartmann M
- (2020). Inducible biosynthesis and immune function of the systemic acquired resistance inducer N-hydroxypipecolic acid in monocotyledonous and dicotyledonous plants. J Exp Bot 71: 6444-6459
Schnake A, Hartmann M, Schreiber S, Malik J, Brahmann L, Yildiz I, von Dahlen J, Rose LE, Schaffrath U, Zeier J
(Siehe online unter https://doi.org/10.1093/jxb/eraa317) - (2021) Metabolic regulation of systemic acquired resistance. Curr Opin Plant Biol 62: 102050
Zeier J
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.pbi.2021.102050) - (2021) The mobile SAR signal N-hydroxypipecolic acid induces NPR1-dependent gene expression and immune priming. Plant Physiol 186: 1679-1705
Yildiz I, Mantz M, Hartmann M, Zeier T, Kessel J, Thurow C, Gatz C, Petzsch P, Köhrer K, Zeier J
(Siehe online unter https://doi.org/10.1093/plphys/kiab166) - (2021) UGT76B1, a promiscuous hub of small molecule-based immune signaling, glucosylates N-hydroxypipecolic acid, and balances plant immunity. Plant Cell 33: 714-734
Bauer S, Mekonnen DW, Hartmann M, Yildiz I, Janowski R, Lange B, Geist B, Zeier J, Schäffner AR
(Siehe online unter https://doi.org/10.1093/plcell/koaa044)
