Medfødt Immunitet i Planter: Nyt perspektiv i plantesygdomsbekæmpelse

1. Medfødt Immunitet i Planter: Nyt perspektiv i plantesygdomsbekæmpelse Gitte Erbs og Mari-Anne Newman

2. Brown rapporterede i 1923 at gul marguerit infilteret med varme- dræbte Agrobacterium tumefaciens celler ikke længere dannede tumorer, når de senere blev inokuleret samme sted med levende celler af samme bakterie. (Phytopathology 13:87-99) Aktiv ”Immunisation” I snart 100 år har forskere og natur interesserede observeret, at når planter overlever en patogeninfektion, kan de udvikle en forhøjet resistens mod efterfølgende infektioner.

3. I 1933 lavede Chester et studie over 200 publikationer hvor han beskrev og navngav dette fænomen: “Physiological Acquired Immunity” Dengang troede forskere, at de undersøgte et fænomen analogt med immunforsvaret i dyr.

4. Mindst 3 forskellige processer blev kaldt • “acquired immunity” (erhvervet immunitet): • Viral kryds-beskyttelse (cross-protection) • Antagonisme (eller biokontrol) • SAR (Systemic Acquired Resistance)

5. Den første systematiske undersøgelse af SAR var publiseret af A. Frank Ross in 1961. Ved at bruge tobak mosaik virus (TMV) og tobak viste Ross, at infektion med TMV var formindsket, hvis planten tidligere havde været inficeret med TMV. ISR (Induceret Systemisk Resistens) blev beskrevet i 1998 af Van Loon. Dette område var specielt studeret pga interessen for biologisk bekæmpelse af jordbårne plantesygdomme. Siden, er både SAR og ISR blevet studeret på det molekylære niveau ved hjælp af Gåsemad (Arabidopsis) som modelplante

6. SAR ISR • Induceret ved at udsætte • roden eller det grønne væv • for abiotiske eller biotiske • faktorer • Afhængig af salicylsyre (SA) • Associeret med ophobning af • PR proteiner • (PR: Pathogenesis Related) • Induceret ved at udsætte • roden for specifikke racer • af rhizobakterier • Afhængig af ethylen og • jasmonic syre (uafhængig af SA) • Ikke associeret med ophobning af • PR proteiner

7. Medfødt Immunitet (Velbeskrevet fænomen i hvirveldyr og insekter) Medfødt immunitet henviser til antigen-uspecifikke forsvarsmekanismer, som en vært bruger med det samme eller indenfor få timer efter udsættelse for et antigen. Det er den immunitet man er født med, og er det første respons fra kroppen på at eliminere mikrober og forhindre infektion.

8. Medfødt Immunitet Forskelligt fra pattedyr, som har både medfødt og adaptiv immunitet (mobile forsvarsceller), er planter afhængige af den enkelte celles medfødte immunitet og af systemiske signaler fra infektionsstedet

9. Plante immun-systemet som beskrevet indenfor de sidste par år (Jones & Dangl, Nature 2006) Planter udnytter et togrenet medfødt immun-system: 1: Genkender og reponderer på molekyler der er ens for mange mikrober (disse inkluderer molekyler fra ikke patogene mikrober) Microbe-Associated Molecular Patterns (MAMPs) 2: Responderer på patogen virulensfaktorer; direkte eller ved hjælp af deres effekt på værten (patogen effektorer)

10. Mikrobe mønstre og plante genkendelse MAMPs: Microbe-AssociatedMolecular Patterns • findes i både patogene og ikke-patogene mikrober • molekylære strukturer der ikke findes i værten, men findes i mange mikrober • disse strukturer er uundværlige for mikrobernes overlevelse MAMPs er genkendt af receptorer fra det medfødte immunsystem, disse er kaldt “Pattern-Recognition Receptors” (PRRs)

11. MAMPs fra bakterier: • Flagellin (Boller et al.) • Elongation factor Tu (Ef-Tu), det protein der forekommer mest af i bakterier (Zipfel et al.) • Lipopolysakkarider (LPS) (Newman et al.) • Peptidoglycan (PGN) (Newman et al.)

13. PGN som elicitor af immunitet i Gåsemad (Arabidopsis) Xanthomonas campestris patovar campestris stamme 8004 (Xcc; kålbrunbakteriose) Isolere PGN fra Agrobacterium tumefaciens DSM 30204 (At; rodhalsgalde) Hydrolysere PGN til muropeptider, klarlægge den kemiske struktur og teste deres aktivitet som MAMPs i Gåsemad

14. Induktion af PR1 genet i Arabidopsis Col-0 efter behandling med Xanthomonas og AgrobacteriumPGN eller muropeptider +: Fold upregulated compared to water treated tissue, after normalization to 18SrRNA. Significance = P<0.001 unless otherwise stated. NS: not significant. Xcc PGN At PGN At muropeptides Xcc muropeptides

15. flg Xcc PGN At PGN Water Xcc muropeptides At muropeptides Formation af callose, et forsvarsrespons, efter behandling med PGN og muropeptider

16. Resume • PGN eliciterer karakteristiske komponenter af planters medfødte immunsystem • PGN og dets dele er en ny MAMP in plante-bakterie interaktioner • PGN og muropeptiderne fra Xanthomonas er mere aktive end dem fra Agrobacterium (forskellig infektionsbiologi – At skal holde værtscellen i live)

17. Hvorfor? • Biologisk grundforskning. • Forbedring af produktionen af afgrøder • til fødevarer, fibre og biobrændstof. • ”Planter på nye opgaver” • Arabidopsis bruges som modelplante til at • studere humane mikrobielle patogenicitets- • faktorer. Stor lighed mellem det medfødte • immunforsvar i planter og i dyr.’

18. Planter dyr Bacterial effector LPS PGN Ef-Tu Flagellin Flagellin PGN LPS Xa21 EFR FLS2 TLR5 TLR4 TLR2 ? ? AvrRps4 RPS4 NOD1 Nøgle: Kinase NBS LRRs TIR CARD

19. Samarbejdspartnere: Università di Napoli Federico II, Italy A. Silipo M. Parrilli A. Monlinaro University of Bath, United Kingdom S. Aslam R. M. Cooper