OPDA und Phytoprostane als Signalmolekül in P. patens?

Obwohl sich die derzeitige Forschung hauptsächlich auf JA als Signal in Samenpflanzen richtet, wurde in vielen Experimenten bewiesen, dass OPDA ebenfalls ein eigenständiges Signalmolekül ist (Farmer et al., 2003, Taki et al., 2005, Müller et al., 2008). In Protonema und Gametophoren von P. patens wurden die endogenen Anteile von OPDA (0,5 nmol/g Frischgewicht) und 11-OPTA (0,1 nmol/g Frischgewicht) bestimmt (M. Stumpe, Dissertation, 2006). Damit ähnelt der Anteil an OPDA in P. patens dem in Arabidopsis-Blättern (Stintzi et al., 2001, Müller et al., 2008). Im Jahr 2001 gelang es Stintzi et al. (2001) die Pflanzenabwehr in Arabidopsis ohne das OPR3 Transkript (opr3) und damit ohne JA und ihre Derivate zu untersuchen. Darüber hinaus wurde mit Untersuchungen an der opr3-Mutante bewiesen, dass JA essentiell für die Pollenreife und -freisetzung ist und die opr3-Pflanzen männlich steril sind (Stintzi & Browse, 2000). Oxylipinprofile von mechanisch verwundeten Blättern der opr3-Mutanten zeigten zu Pflanzen ohne diese Mutation keine JA und veränderte Mengen an OPDA und dnOPDA. Darüber hinaus sind die Pflanzen mit opr3-Mutation wie die normalen Pflanzen resistent gegen Pathogenbefall. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass in Abwesenheit von Jasmonaten der Schutz gegen Insekten oder Pilzpathogene und die COI1 abhängige Expression von Abwehrgenen durch OPDA und dnOPDA ersetzt werden kann (Abbildung 4.2).

Kürzlich wurde berichtet, dass nach Infektion mit zwei verschiedenen Pythium Spezies der endogene Gehalt an OPDA in P. patens nach 24 h stark ansteigt (Oliver et al., 2009). Zudem wurden Gene von LOX1 (Accession-Nummer: BJ159508) Phenylalanin Ammonium Lyase

131 (PAL, Accession-Nummer: BJ201257) und Chalkon Synthase (CHS, Accession-Nummer:

BJ1922161) durch die Infektion hochreguliert. Bereits 2007 zeigten Ponce de Léon, dass diese Gene nach Infektion mit den Pflanzenpathogenen Botyris cinera und Erwinia carotovora (van Kan, 2006) hochreguliert wurden. Für Blütenpflanzen ist der Anstieg von LOX-, PAL- und CHS-Transkripten nach Pythium-Infektion bereits bestätigt (Vijayan et al., 1998, Bednarek et al., 2005, Adie et al., 2007). Somit konnte gezeigt werden, dass die Genexpression in P. patens nicht nur durch eine Vielzahl von abiotischem (Frank et al., 2005) sondern auch biotischem Stress reguliert wird.

M. Stumpe (Dissertation, 2006) untersuchte die Funktion von OPDA in P. patens mittels Mutanten in denen entweder das AOC1-, bzw. AOC2-Gen fehlte. Versuche eine

∆AOC1/∆AOC2-Mutante zu erzeugen scheiterten wahrscheinlich aufgrund zu niedriger Transformationseffizienzen für P. patens oder weil eine Doppelmutante letal ist. (M. Stumpe, Dissertation, 2006). Obwohl die Gametophyten der ∆AOC-Mutanten keine Unterschiede zu den Ausgangspflanzen aufwiesen, zeigten sie eine stark reduzierte Sporophytenbildung, die meist nicht über das Tetrastadium hinausging. Insgesamt war die Anzahl der Sporen mehr als 10fach reduziert. Die verbliebenen Sporen entwickelten sich jedoch normal (M. Stumpe, Dissertation, 2006). Die beschriebenen Defekte wurden jedoch nur in einer Linie durch exogenes OPDA komplementiert (Bernd Faltin, Diplomarbeit) und der endogene OPDA-Gehalt war weder im Protonema noch in den Gametophoren der Mutanten reduziert (M.

Stumpe, Dissertation, 2006).

Abbildung 4.2: Modell über die Feinkontrolle der Genexpression durch Jasmonate in verwundeten oder erkrankten Arabidopsis-Blättern. (modifiziert nach Stintzi et al., 2001). Die Zyklopentenone OPDA und dnOPDA können Gene direkt über einen COI1-abhängigen Weg regulieren. Eine weitere Möglichkeit ist die

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könnten sowohl OPDA als auch JA spezifische Gengruppen regulieren oder sie können zur Kontrolle dieser Gengruppe gemeinsam agieren. Ein anderer Weg der Regulation könnte durch die elektrophilen Eigenschaften von Zyklopentenonen gewährleistet sein.

Des Weiteren wurde beobachtet, dass OPDA in Blütenpflanzen Gene wie GST1, RNS1 und OPR1 aktivieren kann (Reymond et al., 2000). Diese Gene werden bei Verwundung in COI-abhängiger Weise induziert, jedoch ist das direkte Signalmolekül für die Aktivierung dieser Gene nicht bekannt. Die Gene GST1, RNS1 und OPR1 werden durch Verwundung jeweils in Kontroll- und opr3-defizienten Pflanzen induziert, können aber nicht durch exogenes JA aktiviert werden (Stintzi et al., 2001). Deshalb wird vermutet, dass die Expression dieser Gene von einem Stoffwechselweg abhängt, in welchem ein Effektor mit einer elektrophilen Gruppe involviert ist (Abbildung 4.2). Diese ist auch im Zyklopentenonrings von OPDA enthalten. In diesem Zusammenhang können α,β-ungesättigte Ketogruppen an nukleophilen Michael-Additionen beteiligt sein, in denen Carbanionen an α,β-ungesättigte Carbonylverbindungen angefügt werden. Diese Additionsreaktion an Proteinen oder dem Tripeptid Glutathion (GSH) könnte Veränderungen in Proteinaktivität oder dem zellulären Redoxzustand auslösen. Solche Veränderungen wiederum können die Genexpression zur Pathogenabwehr beeinflussen (Hayes & McLellan, 1999). Die Ergebnisse von Stintzi et al., 2001 deuten auch auf einen neuen potenziellen Mechanismus zur wundinduzierten Expression von JA-unabhängigen Genen hin. Möglicherweise sind sowohl OPDA und dnOPDA, bzw. die abgeleiteten Derivate, „echte“ Regulatoren und erlauben somit den Zellen, je nach Veränderung ihres Anteils, in Entwicklung und bei Erkrankung eine feinabgestimmte Genexpression (Abbildung 4.2).

Vollenweider et al. (2000) beobachteten, dass weitere Moleküle mit elektrophilen Eigenschaften, wie Ketodiensäuren und Ketotriensäuren, als potenzielle Genregulatoren in verwundeten Pflanzengeweben fungieren, indem sie die GST–Expression erhöhen. Darüber hinaus beobachteten Wichard et al. (2005) in Verwundungsexperimenten an P. patens einen Anstieg der flüchtigen Verbindungen 2E-Nonenal und 2E-Oktenal, die ebenfalls reaktive Ketogruppen besitzen. Diese elektrophilen Verbindungen stammen, im Gegensatz zu Pflanzen nicht aus ALA, sondern aus einem AA-abhängigen Syntheseweg (Wichard et al., 2005, Senger et al., 2005). Es ist nicht auszuschließen, dass diese flüchtigen Verbindungen ebenfalls die Genexpression zur zellulären Entgiftung oder Pathogenabwehr in P. patens induzieren können. Almeras et al. (2003) zeigten in Versuchen an Arabidopsis-Blättern die zytotoxischen Eigenschaften u. a. von 2E-Nonenal, welches einen negativen Einfluss auf das Photosystem II zeigte, jedoch die untersuchten Abwehrgene nur in geringem Maß induzierte.

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