Regulatory and functional aspects of stress-inducible plant metabolite pathways

Das pflanzliche Immunsystem hat mehrere Stufen und beinhaltet konstitutive und induzierbare Abwehrmechanismen. Der Modellorganismus Arabidopsis thaliana, aus der Familie der Brassicaceae, reagiert auf eine Infektion des bakteriellen Pflanzenpathogen Pseudomonas syringae mit Anderungen im Metaboliten-Profil. Die produzierten Metaboliten sind strukturell divers und beinhalten Phenole, Aminosauren, Indolalkaloide, Terpenoide, Oxylipine, Phytosterole und andere. Einige dieser Metaboliten wirken direkt antimikrobiell, wahrend andere die Expression von Abwehrgenen kontrollieren und damit in regulatorischer Weise zur pflanzlichen Immunantwort beitragen. Diese Arbeit beschreibt weitere, bis jetzt nicht beschriebene, Metabolitenbiosynthesewege in Arabidopsis, die in Folge einer Pseudomonas syringae-Infektion aktiviert werden. Tocopherole sind eine Gruppe von lipophilen Antioxidanten, die ausschlieslich von Photosynthese-betreibenden Organismen synthetisiert werden konnen und in den Plastiden von hoheren Pflanzen vorkommen. Man unterscheidet in Pflanzen zwischen vier verschiedenen Formen von Tocopherolen, α-, β-, γ- und δ-Tocopherol. Die vier Tocopherol-Derivate unterscheiden sich durch die Anzahl und die Position der Methylgruppen am Chromanolring. Gene, die fur Enzyme kodieren die fruhe Schritte der Tocopherol-Biosynthese katalysieren, zeigen erhohte Transkript-Level in Blattern, die mit virulenten und avirulenten P. syringae infiziert sind. Metaboliten Analysen zeigten, dass eine P. syringae-Infektion zu einer starken Akkumulation von β-Tocopherol fuhrt und zu einer moderaten Produktion von γ- und δ-Tocopherol, wahrend die endogenen α-Tocopherol Level konstant bleiben. Die Mutante vte2 ist vollstandig beeintrachtigt in der basalen und P. syringae-induzierten Akkumulation von Tocopherolen, aber nicht in der Produktion von anderen Abwehrmetaboliten. Interessanterweise zeigt diese Mutante eine erniedrigte basale Resistenz gegen P. syringae, welche von erhohter Lipid-Peroxidation im Falle einer P. syringae-Infektion begleitet ist. Das Fehlen von dreifach ungesattigten Fettsauren in der vte2-1 fad3-2 fad7-2 fad8 vierfach Mutante verhindert die erhohte Lipid-Peroxidation im vte2-Hintergrund und stellt eine Resistenz auf Wildtyp Niveau wieder her. Die Ergebnisse zeigen, dass Tocopherole in Arabidopsis zur basalen Resistenz gegen P. syringae beitragen, indem sie Lipide vor oxidativem Schaden schutzen. Des Weiteren konnten im Rahmen dieser Arbeit neun N-acetylierte und N-formylierte Aminosauren identifiziert werden, die in P. syringae infizierten Arabidopsis Pflanzen akkumulieren. Die Akkumulation dieser Aminosauren ist beeinflusst von JA und Ethylen Signalwegen, aber die funktionelle Relevanz dieser Metaboliten in Arabidopsis gegen bakterielle Pathogene konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht aufgeklart werden. Ein weiterer Metabolit, der in P. syringae infizierten Arabidopsis Pflanzen akkumuliert, ist Scopoletin. Die Transkript-Level der 2-Oxoglutarate-abahngigen Dioxygenase F6´H1, die fur die Scopoletin-Biosynthese in Arabidopsis essentiell ist, sind im Falle einer P. syringae-Infektion erhoht. Eine Arabidopsis Mutante, die in der Scopoletin-Biosynthese via F6´H1 beeintrachtigt ist, zeigt eine leicht erhohte Anfalligkeit gegen virulente und avirulente P. syringae Stamme. Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass die Scopoletin-Akkumulation zur basalen Resistenz von Arabidopsis gegen bakterielle Pathogene beitragen konnte. Weiterhin konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass der Indol-Metabolismus umfassend aktiviert wird. Die Akkumulation von Indolalkaloiden ist hierbei nicht nur auf den Infektionsort beschrankt, sondern kann auch in Blattern distal zu der Infektion beobachtet werden. Aus diesem Grund wurde die regulatorische Rolle des Indol-Metabolismus in der systemisch erworbenen Resistenz (SAR) untersucht. In infizierten Blattern konnte die Akkumulation von ca. 20 Indolalkaloiden beobachtet werden. Dabei sind die am starksten akkumulierenden Indole Camalexin, Indol-3-ylmethylamin (I3A) und Indole-3-Carboxylsaure (ICA). Die exogene Gabe des Pflanzenabwehrhormons Salicylsaure (SA) stimuliert die Produktion von I3A auf Kosten des Biosynthesevorlauferstoffes Indol-3-Methylglucosinolat (I3M). Zudem induziert der SAR-Regulator Pipecolinsaure (Pip) das Priming einiger Zweige des Indol-Metabolismus. Die Akkumulation von Indolalkaloiden in Blattern distal zum Infektionsort ist spezifischer. Hier kann die Akkumulation von drei Indolen beobachtet werden; I3A, ICA und Indole-3-Carbaldehyd (ICC). Die systemische Indol-Akkumulation ist vollstandig abhangig von CYP79B2/3, PEN2 und MYB34/51/122, daruber hinaus benotigt sie funktionierende SAR-Signalwege. Die Analyse von Arabidopsis Mutanten zeigte, dass die systemische Indol-Akkumulation nicht zur SAR-Etablierung benotigt wird. Ferner konnte gezeigt werden, dass auf Erde kultivierte cyp79b2/3 und pen2 Mutanten, die beide im Indol-Metabolismus beeintrachtigt sind, eine praaktivierte Immunantwort zeigen, welche ihre Moglichkeit SAR zu etablieren beeinflusst. Dies ist nicht der Fall, wenn cyp79b2/3 und pen2 in einem hydroponischen Medium kultiviert werden. Die Etablierung von SAR in Pflanzen ist abhangig von Pip und SA Signalwegen. Hierbei orchestriert Pip als Hauptregulator der SAR, welcher SAR uber SA-abhangige und unabhangige Signalwege kontrolliert. In der Signalkette der SAR-Etablierung agiert SA dabei hinter Pip und der Flavin abhangigen Monooxygenase 1 (FMO1) in der Amplifikation der Abwehrreaktion und ist fur eine volle und starke SAR-Reaktion erforderlich. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht ob der SAR-Hauptregulator Pip als mobiles Langstreckensignal in der SAR-Etablierung fungiert und ob Pip als Vorstufe fur andere abwehrrelevante Metaboliten dienen kann. Hierfur wurde mit Deuterium markiertes Pip, in Kombination mit P. syringae, in individuelle Blatter gefuttert. Am Infektionsort kann das gefutterte Pip zu N-formyl-Pip metabolisiert werden und teilweise auch zu α-Amino Adipinsaure (Aad). Des Weiteren kann das gefutterte Pip in zwei FMO1-abhangige Metabolien umgewandelt werden, die im Rahmen dieser Arbeit nicht identifiziert werden konnten. Das gefutterte Pip kann daruber hinaus auch in Blattern distal zur Applikation detektiert werden. Obwohl dieser Transport nicht erhoht ist, wenn Pip in Kombination mit P. syringae in lokale Blatter infiltriert wird, induziert nur eine Co-Infiltration eine partielle systemische Aktivierung von Abwehrreaktionen in Pip-defizienten ald1 Pflanzen, wahrend eine Infiltration von Pip alleine keine systemische Reaktionen in ald1 induziert. Passend zu der partiellen Aktivierung von Abwehrreaktionen in ald1 und der Rolle von FMO1 in SAR, kann die Co-Infiltration von Pip und P. syringae partiell den SAR-Defekt von ald1 Pflanzen kompensieren, aber nicht den von fmo1 Pflanzen.