Defensie priming van planten: metabolisme en reactieve zuurstofverbindingen

De landbouwproductie moet aanzienlijk toenemen om te voldoen aan de voedselzekerheid en de toename van de bevolking en het verlies van landbouwgrond. Plagen en ziekten zijn verantwoordelijk voor grote opbrengstverliezen in de landbouw en hebben uiteindelijk een negatieve invloed op de wereldwijde voedselzekerheid. Er is een sterke stijging van de ontwikkeling van nieuwe landbouwpraktijken met een lage input die duurzamer zijn en het gebruik van milieuvriendelijke alternatieven voor landbouwchemicaliën die worden gebruikt om plantpathogenen te bestrijden. Een van de meest gebruikelijke benaderingen om met plantpathogenen om te gaan, zijn kweektechnieken en het gebruik van chemische pesticiden. Vanwege de vele nadelen van deze benaderingen en hun negatieve impact op de menselijke gezondheid en het milieu, verschuift de onderzoeksfocus naar de ontwikkeling van biocontrolemechanismen. Eén benadering is om het volledige potentieel van de aangeboren immuniteit van de plant te benutten door middel van priming. Priming is een techniek waarbij planten worden onderworpen aan een tijdelijke milde stress, of een component die een stress nabootst, om planten in een actieve toestand te brengen om effectiever en sneller te reageren op blootstelling aan een volgende stressconditie. Verschillende synthetische en natuurlijke moleculen zijn met succes geïdentificeerd als priming-middelen tegen een groot verscheidenheid van plantpathogenen. De best beschreven priming-middelen behoren aminozuren en structureel afgeleide koolhydraten zoals chitine en oligogalacturoniden. In dit proefschrift hebben we ons gericht op het identificeren van nieuwe priming agents tegen biotische stress door het screenen van stressgerelateerde moleculen die van nature accumuleren in planten die zijn blootgesteld aan (a)biotische stress. We hebben ons voornamelijk gericht op fructanen, het aminozuur γ-aminoboterzuur (GABA), en de polyamines (PA's) spermine (Spm) en spermidine (Spd).

Fructanen zijn op fructose gebaseerde oligo- en polysacchariden die zich ophopen in ongeveer 15 % van de bloeiende planten tijdens abiotische stress. Steeds meer bewijs suggereert dat exogene fructanen ook effectief kunnen zijn tegen biotische stress. Onze resultaten geven aan dat inuline-type fructanen effectief zijn tegen de grijze schimmel B. cinerea in de niet-fructaan accumulerende modelplant Arabidopsis thaliana. Evenzo induceerden levan-oligosacchariden (LOS) afgeleid van de bacterie Halomonas smyrnensis significant resistentie tegen B. cinerea. We ontdekten dat zowel inuline als LOS de flg22 en oligogalacturoniden (OG's) geïnduceerde NADPH-oxidase-gemedieerde reactieve zuurstofspecies (ROS) -uitbarstingen prime, maar niet direct zelf een ROS-uitbarsting veroorzaakten. Inuline en LOS priming resulteerde in de accumulatie van H2O2 na priming, en significante H2O2 accumulatie en verhoogde activiteiten van catalase (CAT) en ascorbaatperoxidase (APX) na infectie. Als reactie op B. cinerea infectie accumuleerden geprimede planten glucose (Glc) en sucrose (Suc). Via een farmacologische benadering hebben we aangetoond dat een functionele NADPH-oxidase nodig is voor fructaan-geïnduceerde resistentie tegen B. cinerea. Bovendien vereist inuline priming ook een functioneel SNF1-gerelateerd kinase 1 (SnRK1). We toonden ook aan dat levan, maar niet inuline, effectief is om appelschurft (Venturia inaequalis) in appelzaailingen te bestrijden. Levan veroorzaakte resistentie op een ontogeen-afhankelijke manier, zonder grote suikerschommelingen op te wekken. Levan remde ook direct de groei van V. inaequalis. We bespreken onze resultaten in de context van fructanen die functioneren als Microbe- en/of Damage-Associated Molecular Patterns (MAMPs en DAMPs) in planten.

Ten tweede hebben we aangetoond dat GABA even effectief kan zijn in vergelijking met zijn structurele homoloog en goed beschreven priming-middel β-aminoboterzuur (BABA) tegen B. cinerea in Arabidopsis bij lage concentraties. Priming met GABA resulteerde in de activering van de ROS-wegvangende enzymen CAT en guaiacolperoxidase (GPX) vergezeld met verlaagde H2O2 na B. cinerea infectie. Dit was gecorreleerd met lagere flg22- en OGs-geïnduceerde ROS-burst door NADPH-oxidasen in GABA-geprimede planten. GABA priming bij 1 mM, maar niet 100 µM, resulteerde in endogene GABA-accumulatie na behandeling en een tweede golf na infectie. GABA-priming bij 100 µM inhiberen het actieve nitraatreductase (NR), terwijl 1 mM zowel de actieve als de totale NR-activiteit induceerde. GABA priming resulteerde in accumulatie van Suc, gevolgd door accumulatie van Glc en fructose (Fru) na infectie met B. cinerea. We bespreken onze bevindingen in de context van exogene GABA opname resulterend in metabolische fluctuaties en exogene GABA signalering.

Vervolgens hebben we aangetoond dat exogeen Spm effectiever is dan Spd om resistentie tegen B. cinerea in Arabidopsis te induceren. Hoge concentraties (> 1 mM) PA's resulteerden in de ontwikkeling van celdood. Spm priming resulteerde in de accumulatie van H2O2 na behandeling, en ook na B. cinerea infectie. Zowel Spd- als Spm-priming vershogen de activiteiten van CAT, APX en GPX na behandeling en infectie met B. cinerea. PA behandeling resulteerde in accumulatie van oplosbare suikers na behandeling en Spm behandelde planten accumuleerden suikers na infectie. Spm-behandeling induceerde GABA accumulatie na behandeling en infectie samen met de accumulatie van fenylalanine en asparagine na infectie. Behandeling met Spm verlaagd de totale en actieve NR-activiteit, terwijl lage concentraties Spd actieve NR verlagen en hoge concentraties de actieve NR-activiteit vershogen. We bespreken onze resultaten in het licht van recente bevindingen die erop wijzen dat Spm een kandidaat verdedigingsactivator in planten is.

Ten slotte hebben we in het addendum UDP-Glc-signalering in planten, vergelijkbaar met dieren, onderzocht via de regulator van G-proteïne signalering 1 (RGS1) receptor. Onze gegevens toonden aan dat exogeen UDP-Glc lokale maar niet systemische afweer van planten tegen B. cinerea kan stimuleren. Arabidopsis rgs1 mutanten reageerden niet op UDP-Glc-priming. We toonden verder aan dat UDP-Glc-behandeling resulteert in tijd- en dosisafhankelijke regulering van de flg22-geïnduceerde ROS-burst, zonder de MPK3 accumulatie te beïnvloeden. Arabidopsis UDP-Glc pyrofoshorylasemutanten met gereduceerd endogeen UDP-Glc waren niet differentieel sensitief voor B. cinerea-infectie. UDP-Glc behandeling resulteerde in apoplastische Glc-accumulatie in de Wt, maar niet in de rgs1-mutant. Evenzo namen de totale Suc toe in Wt-planten, maar daalden in rgs1 mutanten als reactie op UDP-Glc-behandeling. We stellen voor dat exogeen UDP-Glc functioneert als een stresssignaal in planten, vergelijkbaar met wat is aangetoond bij dieren.