PuSH - Publikationsserver des Helmholtz Zentrums München

Zeidler, D.

Activation of nitric oxide synthase and induction of defense genes in Arabidopsis thaliana by bacterial lipopolysaccharides.

Aktivierung einer Stickstoffmonoxid-Synthase und Induktion von Abwehr-Genen in Arabidopsis thaliana durch bakterielle Lipopolysaccharide.

München, Technische Universität, Fakultät Wissenschaftszentrum Weihenstephan, Diss., 2006, 117 S.
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The aim of this study was to examine if Lipopolysaccharide (LPS) are novel elicitors of plant innate immunity using Arabidopsis thaliana as a model system. LPS are the major outer membrane components of Gram-negative bacteria and consist of three distinct structural domains: O-antigen, core region and lipid A. They represent microbe-/pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) in animal patho-systems and act as extremely potent stimulators of the mammalian and insect innate immunity. As for plants, the molecular mechanisms of signal transduction in response to LPS are not known. Here is shown, that Arabidopsis thaliana reacts to LPS with a rapid burst of nitric oxide (NO) and reactive oxygen species (ROS), which are important hallmarks of innate immunity in animals. Fifteen LPS preparations (among them Burkholderia cepacia, Pseudomonas aeruginosa, and Erwinia carotovora) as well as lipoteichoic acid from Gram-positive Staphylococcus aureus were found to trigger NO-production in suspension cultured Arabidopsis cells as well as in leaves. NO was detected by confocal laser scanning microscopy in conjunction with the NO-sensitive fluorophore DAF-FM DA, by electron paramagnetic resonance (EPR), and by a nitric oxide synthase (NOS) assay. NO biosynthesis in plants occurs either by nitrate reductase (NR) or by NOS. Because NR seemed not to be involved in LPS elicited NO, the source of NO was addressed by using T-DNA insertion lines for both known plant NOS. Interestingly, LPS did not activate the pathogen-inducible varP NOS, but AtNOS1, a distinct NOS previously associated with hormonal signaling in plants. A prominent feature of LPS-treatment was activation of defense genes, which proved to be mediated by NO and salicylic acid. Northern analyses as well as transcriptional profiling using DNA microarrays revealed induction of defense and systemic acquired resistance (SAR) associated genes in local and systemic Arabidopsis leaves. We could show, that SAR gene induction resulted in a real resistance of LPS pre-treated plants against subsequent infection with Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 (Pst). In the atnos1 mutant was the LPS triggered gene induction nearly abolished. This fact could be repaired by treatment with a NO donor. Additionally, atnos1 mutants showed enhanced susceptibility to Pst. Spread of LPS in the Arabidopsis plant during activation of plant defense response was monitored by using fluorescent-labeled LPS molecules from Salmonella minnesota. LPS were visible in middle-rip and minor veins of local as well as of systemic leaves. In sum, perception of LPS and induction of NOS might contribute towards the activation of plant defense responses.
Das Ziel dieser Dissertation war es, am Beispiel der Modellpflanze Arabidopsis thaliana zu untersuchen, ob Lipopolysaccharide (LPS) neuartige Auslöser der angeborenen Immunität von Pflanzen sind. LPS sind die Hauptbestandteile der äußeren Membran von Gram-negativen Bakterien und bestehen aus drei unterschiedlichen Struktur-Domänen: O-Antigen, Kern-Region, Lipid A. Sie repräsentieren Mikroben/pathogen assoziierte molekulare Muster (PAMPs) in tierischen Patho-Systemen und agieren als extrem starke Stimuli der angeborenen Immunität von Säugern und Insekten. Für Pflanzen ist der molekulare Mechanismus der LPS-Erkennung allerdings nicht bekannt. Hier wird gezeigt, das Arabidopsis thaliana auf LPS mit einer starken und schnellen Produktion von Stickstoffmonoxid (NO) und reaktiven Sauerstoffspezies reagiert, welche typische Merkmale der angeborenen Immunität von Tieren sind. Sowohl fünfzehn LPS Präparationen (unter ihnen LPS von Burkholderia cepacia, Pseudomonas aeruginosa, und Erwinia carotovora) als auch die Lipoteichonsäure vom Gram-positiven Bakterium Staphylococcus aureus lösten eine NO-Produktion in Zellkultur und Blättern von Arabidopsis aus. Das gebildete NO wurde mit Hilfe von konfokaler Laserscanner-Mikroskopie zusammen mit dem NO-sensitiven Fluorophor DAF-FM DA, durch elektron-paramagnetische Resonanz Spektroskopien (EPR), and durch Messung von NO-Synthase (NOS) Aktivität nachgewiesen. Die NO-Biosynthese in Pflanzen erfolgt entweder durch die Nitrat-Reduktase (NR) oder eine NO-Synthase. Da die NR nicht in das durch LPS ausgelöste NO involviert schien, wurde die NO-Quelle durch T-DNA Insertionslinien für beide bekannte NOS ermittelt. Interessanterweise aktivierte LPS nicht die pathogen-induzierbare NOS varP, sondern die AtNOS1, welche vorher mit Hormon-Signalen in Verbindung gebracht wurde. Ein wichtiges Ergebnis der LPS-Behandlung war die Aktivierung von Abwehr-Genen, welche nachweislich durch NO und Salizylsäure vermittelt wurden. Sowohl das Erstellen von Gen-Expressions-Profilen mittels Mikroarrays als auch Northern-Analysen ergaben die Induktion von Abwehr- und Resistenz-Genen in lokalen und systemischen Arabidopsis-Blättern. Wir konnten außerdem zeigen, dass die Induktion von Resistenz-Genen in LPS-behandelten Pflanzen in einer tatsächlichen Resistenz gegen Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 (Pst) resultierte. In der AtNOS1-Mutante blieb die LPS-stimulierte Gen-Induktion nahezu komplett aus, was durch einen NO-Donor verhindert werden konnte. Zusätzlich zeigte diese Mutante eine gesteigerte Anfälligkeit gegenüber Pst. Die Verteilung von LPS in der Arabidopsis Pflanze während der Aktivierung einer Abwehrantwort wurde mittels Fluoreszenz-Markierten LPS von Salmonella minnesota dokumentiert. Das LPS war in den Mittelrippen und kleineren Blattadern von lokalen und systemischen Blättern sichtbar. Zusammenfassend kann man sagen, dass die Erkennung von LPS und die Induktion der NOS zur Aktivierung der pflanzlichen Abwehr beitragen könnten.
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Publikationstyp Sonstiges: Hochschulschrift
Typ der Hochschulschrift Dissertationsschrift
Quellenangaben Band: , Heft: , Seiten: 117 S. Artikelnummer: , Supplement: ,
Hochschule Technische Universität
Hochschulort München
Fakultät Fakultät Wissenschaftszentrum Weihenstephan
Institut(e) Institute of Biochemical Plant Pathology (BIOP)