TY  - THES
A1  - Rümer, Stefan
T1  - Untersuchungen zur oxidativen Bildung von Stickstoffmonoxid in Pflanzen sowie zur Visualisierung von Stickstoffmonoxid mittels Fluoreszenzfarbstoffen
T1  - Oxidative NO formation in plants and visualisation of nitric oxide with fluorescence indicators?
N2  - Stickstoffmonoxid (NO) ist ein gasförmiges, relativ stabiles Radikal, das in Pflanzen u. a. durch Reduktion aus Nitrit unter Katalyse des Enzyms Nitratreduktase gebildet wird. In tierischen Organismen wird NO dagegen über einen oxidativen Syntheseweg aus der Ami-nosäure L-Arginin katalysiert durch verschiedene Isoformen der NO-Synthasen (NOS) hergestellt. Es besitzt im tierischen System vielfältige Funktionen u. a. als Neurotransmitter sowie Blutfluss und -druck regulierendes Agens. Im Pflanzenreich werden NO u. a. Aufgaben bei der Regulierung von Spaltöffnungen, der Abwehr von Pathogenen sowie der Differenzierung der Xylemelemente zugeschrieben. Die vorliegende Arbeit verfolgte zwei Ziele: - Erforschung alternativer oxidativer Synthesewege von NO in Pflanzen und - Untersuchung der NO-Spezifität der DAF-Fluoreszenzfarbstoffe ausgehend Diskrepanzen zwischen Daten aus Floureszenzanalysen und der Gasphasen-Chemilumineszenz in früheren Arbeiten unserer Arbeitsgruppe und zahlreichen weiteren Publikationen. a) NO-Produktion aus Hydroxylaminen Hydroxylamin ist ein Zwischenprodukt bei der bakteriellen Denitrifizierung und wurde auch als Intermediat bei der Nitratreduktion in Pflanzen diskutiert. Hier wird gezeigt, dass Tabaksuspensionzellen in der Lage waren, exogenes Hydroxylamin schon in sehr niedrigen Konzentrationen (4 µM) zu NO zu oxidieren. Auch ein anderes HA-Derivat, nämlich der Hemmstoff der Alternativen Oxidase (AOX) in Mitochondrien, Salicylhydroxamsäure (SHAM), wurde zu NO oxidiert. Die Vermutung, reaktive Sauerstoffspezies (ROS) könn-ten bei diesem Oxidationsprozess eine Rolle spielen, wurde überprüft: Nach Einwirkung des ROS-abbauenden Enzyms Superoxid-Dismutase (SOD) konnte aber überraschender-weise keine Verminderung, sondern eher eine Steigerung der NO-Emission beobachtet werden. Die Rolle der SOD in diesem Reaktionsprozess ist daher noch nicht verstanden. b) NO-Detektion mittels Fluoreszenzindikatoren Zur Visualisierung und Lokalisierung von NO in tierischen und pflanzlichen Zellen und Geweben (in situ) mittels mikroskopischer (LSM) oder fluorimetrischer Methoden werden Fluoreszenzfarbstoffe, z. B. DAF-2 oder DAF-FM verwendet. Diese Farbstoffe reagieren mit NO zu stark fluoreszierenden Triazol-Derivaten. Eine Situation, in der Pflanzen u. a. mit NO-Freisetzung reagieren, ist der Pathogenbefall. Wir untersuchten die Reaktion von Tabaksuspensionszellen auf den pilzlichen Elicitor Cryptogein, ein Protein des Oomyceten Phytophthora cryptogea. Im Filtrat der Zellen, die mit Cryptogein behandelt wurden, zeigte sich nach Zugabe von DAF-Farbstoffen ein starker Fluoreszenzanstieg. Um die fluoreszenzerhöhenden Stoffe zu charakterisieren, wurde das Filtrat vor der DAF-Zugabe verschiedentlich behandelt. Bei Zugabe von KCN bzw. Katalase zum Überstand, verringerte sich der Fluoreszenzanstieg. Gleichzeitige Behandlung der Zellen mit Cryptogein sowie dem NADPH-Oxidase-Inhibitor DPI unterband den Fluoreszenzanstieg im Überstand nahezu komplett. Enzym-Assays mit Amplex Rot zeigten die Anhäufung von H2O2 im Filtrat der elicitierten Zellen. Neben ROS werden von Pflanzenzellen auch Peroxidasen in den Apoplasten sekretiert, die mit Hilfe von H2O2 für eine verstärkte Quervernetzung der Zellwand sorgen. Sowohl in unbehandelten Kontrollzellen als auch in elicitierten Zellen wurde Peroxidase-Aktivität nachgewiesen. Nach Zugabe von H2O2 und DAF-2 zum Filtrat von Kontrollzellen ergab sich ein Fluoreszenzanstieg ähnlich dem im Filtrat von behandelten Zellen. Mit Hilfe eines einfachen In-vitro-Systems aus Meerettich-Peroxidase (MR-PO), Wasser-stoffperoxid (H2O2) und DAF-2 konnten noch höhere Fluoreszenzwerte erzielt werden, was die Vermutung der Fluoreszenzerhöhung ohne Anwesenheit von NO erhärtete. Um diese nicht aus einer Reaktion mit NO resultierenden DAF-Produkte näher zu charak-terisieren, wurden Trennungen mittels Umkehrphasen-Hochdruck-Flüssigkeitschro-matographie mit Fluoreszenzdetektion (RP-HPLC-FL) und Massenspektrometrie (UPLC-MS) durchgeführt. Dabei wurden tatsächlich zwei neue Reaktionsprodukte festgestellt, die sich eindeutig von DAF-2T unterschieden. Letzteres konnte nur bei Hinzufügen des NO-Donors DEA-NO detektiert werden. Zur Erfassung von intrazellulären Reaktionsprodukten von DAF wurden die chromatogra-phischen Trennmethoden auch auf Extrakte von mit DAF-2 DA aufgeladenen und danach elicitierten Zellen angewandt. Bei dieser Auftrennung tauchten noch mehr DAF-Reaktionsprodukte auf. Die Hauptfluoreszenz, die auch bei nicht inkubierten Zellen auf-trat, konnte auf eine Reihe sehr früh eluierender Substanzen zurückgeführt werden. Die zwei DAF-Derivate aus dem Überstand inkubierter Zellen bzw. der In-vitro-Reaktion (MR-PO+H2O2+DAF-2) tauchten jedoch überhaupt nicht auf. Vorläufige massenspektrometrische Analysen legen nahe, dass es sich bei den in Abwe-senheit von NO gebildeten zwei Verbindungen um isomere Dimere von DAF-2 handelt.
N2  - Nitric oxide is a diatomic, gaseous, relatively stable radical that is mainly synthesized via a reduction of nitrate/nitrite or via an oxidation of amino groups. The latter pathway has been attributed a major role in NO production from the amino acid L-arginine catalysed by three different isoforms of NO-synthases (NOS). In animals, NO fulfils a variety of well-known functions e. g. as neurotransmitter, blood-flow and -pressure regulating agent. In the plant kingdom, it plays a role in the regulation of stomatal movement, in the defense against pathogens and in xylogenesis. Major aims of this work were: - to search for alternative oxidative pathways for nitric oxide from reduced nitrogen compounds and - to unravel previous inconsistencies described in our group on NO production in plants as detected by gas phase chemiluminescence or by fluorescing NO specific dyes. a) NO production by oxidation of hydroxylamine (HA) Hydroxylamine was discussed as an intermediate in nitrate reduction in plants and appears conjugated to carbonyl compounds as oximes. Here it is shown that tobacco suspension cells are able to oxidize exogenous hydroxylamine to nitric oxide when applied in concen-trations as low as 4 µM. This was also observed after addition of another hydroxylamine, salicylhydroxamic acid (SHAM), which is a frequently applied inhibitor of mitochondrial Alternative Oxidase (AOX). Preliminary observations suggest that reactive oxygen species (ROS) play a role as oxidants. Addition of superoxide dismutase (SOD), an enzyme de-grading ROS, led to an even higher output of NO from hydroxylamine, which may indicate an involvement of H2O2. b) DAF-fluorescence without NO Fluorescent dyes (DAF-2, DAF-FM, DAR-4M) have been used widely to visualize NO production in tissues and single cells, mostly in connection with the LSM technique. By reaction with NO, these dyes form stable and highly fluorescing triazol-derivatives (e. g. DAF-2T). Much of the present knowledge on NO in plants is based on the use of these dyes. One important example out of many is the induction of NO production by treating plants with compounds (elicitors) provoking a hypersensitive response in specific target plants. Here, the system tobacco and the elicitor cryptogein, a peptide secreted from the oomycete Phytophthora cryptogea was used. This elicitor is specific for tobacco, and in-duces programmed cell death in tobacco suspension cells. When DAF-2 was added to a filtrate of cells preincubated with cryptogein, a strong fluo-rescence increase was observed. Addition of potassium cyanide (KCN) or catalase lowered this increase. Simultaneous treatment of cells with cryptogein and DPI, an NADPH-oxidase inhibitor, abolished fluorescence almost completely. Assays using the H2O2-sensitive dye amplex red indicated an accumulation of H2O2 in the filtrate of elicited cells. Besides ROS, plants secrete peroxidase enzymes into the apoplast which catalyze the crosslinking of cell wall polymers using H2O2. Peroxidase activity was observed both in the filtrate of control cells and cryptogein-treated cells. Addition of H2O2 and DAF-2 to the filtrate of untreated cells gave a fluorescence increase similar to that observed after addi-tion of DAF-2 to the filtrate of cryptogein-elicited cells, which was a first hint that fluores-cence could be induced without NO. An in-vitro-system consisting of horseradish-peroxidase (MR-PO), H2O2 and DAF-2 re-sulted in strong fluorescence increase, confirming that fluorescence took place even in the complete absence of NO. To further characterize suspected novel DAF-derivatives not related to NO, they were analysed by reverse-phase high-pressure liquid chromatography with fluorescence detection (RP-HPLC-FL) and mass spectrometry (UPLC-MS). Indeed, two new DAF-reaction products were discovered which could be clearly separated from DAF-2T. The reaction product of DAF-2 and NO was detected only when the NO-donor DEA-NO was added to the reaction mixture of the in-vitro-system (HR-PO + H2O2 + DAF-2), revealing three peaks, the two novel DAF-derivatives and DAF-2T. In order to elucidate intracellular reaction products formed inside DAF-2 DA preloaded cells during elicitation, extracts of suspension cells were also submitted to RP-HPLC-FL. In this case, a larger number of DAF-derivatives were found. Even in non-incubated cells, bulk fluorescence originated from a group of early eluting novel compounds. However, none of them could be matched with the two derivatives found in the cell filtrate or in vitro. Preliminary mass spectrometrical analyses suggest the two novel, highly fluorescing compounds formed in the absence of NO in vitro or the filtrate of elicited cells to represent isomeric dimers of DAF-2 which are linked via the amino-groups after reduction.
KW  - Stickstoffmonoxid
KW  - Synthese
KW  - Pflanzen
KW  - Nachweis
KW  - oxidative NO-Bildung
KW  - DAF
KW  - Fluoreszenz
KW  - Hydroxylamin
KW  - Salicylhydroxamsäure
KW  - nittric
KW  - oxide DAF
KW  - fluorescence
KW  - hydroxylamine
KW  - oxidative NO-formation
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-77115
ER  - 
TY  - THES
A1  - Planchet, Elisabeth
T1  - Nitric oxide production by tobacco plants and cell cultures under normal conditions and under stress
N2  - Stickstoffmonoxid (NO) ist ein gasförmiges freies Radikal. In tierischen Geweben ist NO an der Regulation vieler physiologischer Prozesse beteiligt. In den letzten zehn Jahren wurde immer wahrscheinlicher, dass NO auch in Pflanzen als „second messenger“ fungiert. Besonderes Interesse fanden Berichte, dass NO als intermediäres Signal bei der Induktion der hypersensitiven Antwort (HR) von Pflanzen auf Pathogene involviert ist. Im Gegensatz zu Tieren haben Pflanzen wahrscheinlich eine Reihe verschiedener Systeme, die NO produzieren können. Potentielle Kandidaten dafür sind: cytosolische Nitratreduktase (NR; EC 1.6.6.1), PM-gebundene Nitrit: NO Reduktase (Ni:NOR), NO-Synthase (NOS; EC 1.14.13.39) und Xanthindehydrogenase (XDH; EC 1.1.1.204). Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, die NO-Produktion von Pflanzen zu quantifizieren und die beteiligten enzymatischen Schritte zu identifizieren. Als wichtigste Methode zur NO-Messung wurde die Chemilumineszenz verwendet, mit der die NO Emission aus Pflanzen, Zellsuspensionen oder Enzymlösungen in NO-freie Luft oder N2 in Echtzeit verfolgt werden konnte. Wir benutzten für unsere Analyse: Tabak Wildtyp (N. tabacum cv Xanthi oder cv Gatersleben) und Zellsuspensionskulturen davon, NR-freie Mutanten oder WT Pflanzen, die auf Ammonium angezogen wurden um NR-Induktion zu vermeiden, Pflanzen die auf Wolframat an Stelle von Molybdat wuchsen um die Synthese funktionierender MoCo-Enzyme zu unterdrücken, und eine NO-überproduzierende, Nitritreduktase (NiR)-defiziente Transformante. Normale Blätter von nitraternährten Pflanzen zeigten eine typisches NO-Emissionsmuster,bei dem die NO-Emission im Dunkeln niedrig, im Licht viel höher, und unter anoxischen Bedingungen im Dunkeln mit weitem Abstand am höchsten war. Aber selbst nach Erreichen maximaler Raten war die NO-Emission höchstens 1 % der extrahierbaren NR Aktivität. Auch eine Lösung hochgereinigter Nitratreduktase produzierte NO aus den Substraten Nitrit und NADH, und auch hier war die Rate der NO-Emission nur maximal 1% der vorhandenen NR-Aktivität. Dieses übereinstimmende Verhältnis von NR Aktivität und NO-Emission in Blättern, Zellsuspensionen und einer NR-Lösung zeigt an dass die NO-Löschung nur gering war und dass deshalb die NO-Emissionsmessung eine zuverlässige Methode zur Quantifizierung der NO Produktion sein sollte. Die NO-Emission aus einer NiR-defizienten, nitritakkumulierenden Transformante warimmer sehr hoch. NR-freie Pflanzen oder Zellsuspensionen produzierten dagegen normalerweise kein NO, woraus geschlossen werden konnte, dass hier NR die einzige NOQuelle war. Die Rate war in der Regel korreliert mit der Nitritkonzentration, aber cytosolisches NADH erschien als ein weiterer wichtiger limitierender Faktor.Überraschenderweise reduzierten aber auch NR-freie Pflanzen oder Zellkulturen unter anoxischen Bedingungen Nitrit zu NO. Das beteiligte Enzymsystem war kein MoCo-Enzym und war Cyanid-sensitiv. Der pilzliche Elicitor Cryptogein induzierte nach Infiltration in Blätter oder nach Zugabe zu Zellsuspensionen bereits in nanomolaren Konzentrationen den Zelltod. Diese Antwort wurde verhindert oder zumindest stark verzögert durch den NO-Scavenger PTIO oder c-PTIO. Die Schlussfolgerung war zunächst, das NO tatsächlich an der HR-Induktion involviert war. Da aber das Reaktionsprodukt von c-PTIO und NO, c-PTI, den HR ebenfalls verhinderte ohne jedoch NO zu löschen, scheint die weit verbreitete Verwendung von c-PTIO und seinen Derivaten für die Beweisführung einer Beteiligung von NO zumindest fragwürdig. Der HR wurde unterschiedslos sowohl in WT-Pflanzen als auch in NR-freien Pflanzen bzw. Zellsuspensionen induziert. NR ist also offensichtlich für den HR nicht erforderlich. Im Gegensatz zur publizierten Literaturdaten verhinderte auch eine kontinuierliche hohe Überproduktion von NO die Ausprägung des HR nicht. Besonders überraschend war der Befund, dass trotz der Hemmung des HR durch PTIO keinerlei Cryptogein-induzierte NO Produktion in Blättern messbar war. Allerdings wurde in nitraternährten Zellsuspensionskulturen ca. 3-6 h nach Cryptogein-Gabe eine -wenn auch geringe-NOEmission beobachtet, die von einer Nitritakkumulation begleitet war. Beides blieb in Ammonium-ernährten Kulturen aus. Hier schien also eine gewisse Relation zwischen Cryptogein-induzierter NO Emission, NR und Nitrit zu bestehen, die im Detail noch nicht verstanden ist. Da der Zelltod aber auch in NR-freien Zellsuspensionskulturen auftrat, besteht offensichtlich kein kausaler Zusammenhang zwischen dieser NO-Emission, Nitritakkumulation und der Cryptogein-Wirkung. Da NOS-Inhibitoren weder den Zelltod noch die nitritanhängige NO-Emission verhinderten, scheint eine NOS-artige Aktivität ebenfalls keine Rolle zu spielen. Insgesamt werden damit die in der Literatur etablierte Rolle von NO als Signal beim HR und die Rolle von NOS als NO-Quelle stark in Frage gestellt.
N2  - Nitric oxide (NO) is a gaseous free radical involved in the regulation of diverse biochemical and physiological processes in animals. During the last decade, evidence has accumulated that NO might also play an important role as a second messenger in plants. Of special interest were observations that NO was involved in a signal chain leading to the hypersensitive response (HR) in incompatible plant-pathogen interactions. In contrast to animals, plants have probably several enzymes that may produce NO. Potential candidates are: Cytosolic nitrate reductase (NR; EC 1.6.6.1), plasma-membrane (PM)-nitrite: NO reductase (Ni:NOR), nitric oxide synthase (NOS; EC 1.14.13.39) and Xanthine dehydrogenase (XDH; EC 1.1.1.204). The major goal of this work was to quantify NO production by plants, and to identify the enzymes responsible for NO production. As a major method, NO production by tobacco leaves or cell suspensions was followed under normal, non-stress conditions, and under biotic stress, through on-line measurement of NO emission into the gas phase (chemiluminescence). Plants used were tobacco wild-type (N. tabacum cv Xanthi or cv Gatersleben), NR-free mutants grown on ammonium in order to prevent NR induction, plants grown on tungstate to inhibit synthesis of functional MoCoenzymes, and a NO-overproducing nitrite reductase (NiR)-deficient transformant. Induction of HR in tobacco leaves and in cell suspensions was achieved using the fungal peptide elicitor cryptogein. Non-elicited leaves from nitrate-grown plants showed a typical NO-emission pattern where NO-emission was low in dark, higher in the light and very high under dark-anaerobic conditions. Even at maximum rates, NO production in vivo was only a few percent of total NR activity (NRA). Consistent with that, with a solution of purified NR as a simple, “low quenching” system, NO-emission was also about 1 % of NRA. Thus, NO scavenging by leaves and stirred cell suspensions appeared small and NO-emission into purified air should give a reliable estimate of NO production. NO-emission was always high in a NiR-deficient transformant which accumulated nitrite, and NO-emission was completely absent in plants or cell suspensions which did not contain NR. Thus, in healthy plants or cell suspensions, NO-emission was exclusively due to the reduction of nitrite to NO, mainly by cytosolic NR. In addition to nitrite, cytosolic NADH appears as an important factor limiting NO production. Unexpectedly, plants (in absence of NR) were able to reduce nitrite to NO under anaerobic conditions through an unknown enzyme system that was not a MoCo-enzyme and was cyanide-sensitive. When infiltrated into leaves at nanomolar concentrations, the fungal elicitor cryptogein provoked cell death in tobacco leaves and cell suspensions. The HR could be prevented by the NO-scavengers PTIO or c-PTIO, suggesting that NO production was indeed required for the HR. However, the product of the reaction of c-PTIO with NO, c-PTI, also prevented cell death without quenching NO emission. Thus, prevention of cell death by c- PTIO is no proof for an involvement of NO. No differences were found in the HR induction between NR-free plants and/or cell suspensions and WT plants. Thus, NR appears not necessary for the HR. Further, and in contrast to literature suggestions, a continuously high NO-overproduction by a NiR-free mutant did not interfere with the development of the HR. Most surprisingly, no additional NO-emission from tobacco leaves was induced by cryptogein at any phase of the HR. In contrast, some NO-emission, paralleled by nitrite accumulation, was detected 3-6 h after cryptogein addition with nitrate grown cell suspensions, but not with NR free, ammonium- grown cells. Thus, induction of NO-emission by cryptogein appeared somehow correlated with NR and nitrite, at least in cell suspensions. But since cryptogein induced the HR even in NR-free cell suspensions, this nitrite-related NO- emission was not required for cell death. NOS inhibitors neither prevented cell death nor did they affect nitrite-dependent NO-emission. Thus, in total these data question the often proposed role of NO as a signal in the HR, and of NOS as source for NO.
KW  - Tabak
KW  - Stickstoffmonoxid
KW  - Nitratreduktase
KW  - Stickstoffmonoxid
KW  - Nitratreduktase
KW  - Nicotiana tabacum
KW  - Cryptogein
KW  - Chemilumineszenz
KW  - Nitric oxide
KW  - Nitrate reductase
KW  - Nicotiana tabacum
KW  - Cryptogein
KW  - Chemiluminescence
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-9339
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TY  - THES
A1  - Mishina, Tatiana E.
T1  - Mechanisms of local and systemic defences in Arabidopsis thaliana in response to host and non-host strains of Pseudomonas syringae
N2  - Stickstoffmonooxid (NO) wird als wichtige Signalkomponente bei der Entwicklung der Hypersensitiven Reaktion beschrieben. Außerdem wird NO eine Rolle als Signalmolekül bei der Expression von Abwehrgenen wie PR-1, PAL1 oder Chalkonsynthase (CHS) und bei der Akkumulation von Salicylsäure zugeordnet (Durner et al., 1998). In der vorliegenden Arbeit wurden transgene Pflanzen mit veränderten endogenen NO-Spiegeln verwendet, um die Rolle von NO in Pflanze-Pathogen-Interaktionen zu untersuchen. Arabidopsis-Pflanzen, die aufgrund der Expression einer NO Dioxygenase erniedrigte NO-Gehalte aufweisen, zeigen nach einem Angriff avirulenter Pathogene einen abgeschwächten oxidative burst und eine reduzierte Expression von Genen des Phenylpropanbiosyntheseweges. Weitere Experimente mit transgenen Pflanzen, die eine bakterielle NO-Synthase exprimieren, legen nahe, dass eine konstitutive Erhöhung der NO-Spiegel nicht zu einer konstitutiv verstärkten Pathogenabwehr führt. Möglicherweise ist eine graduelle Steigerung der NO-Gehalte nach Pathogenkontakt für die Induktion pflanzlicher Abwehrreaktionen erforderlich. Im Gegenteil, die NOS-exprimierenden Pflanzen waren anfälliger gegen bakterielle Pathogene als Wildtyp-Pflanzen und zeigten eine abgeschwächte SAR-Reaktion. Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass NO eine wichtige Rolle bei der Regulation des Redoxstatus in der Pflanzenzelle spielt. Diese Funktion von NO ist wichtig beim Seneszenzvorgang. Entsprechend der Ergebnisse dieser Arbeit kann NO als negativer Regulator der Blattseneszenz angesehen werden. Die Wirkungsweise von NO auf molekularer Ebene und die Signalkaskaden, in die NO involviert ist, sind immer noch nicht ausreichend verstanden. In zukünftigen Experimenten wird es notwendig sein, die selektive Quantifizierung von NO in intaktem Pflanzengewebe zu gewährleisten, die Proteintargets von NO zu identifizieren und die Struktur und Funktion NO-modifizierter Biomoleküle zu entschlüsseln, um die Rolle von NO in Pflanze-Pathogen-Wechselwirkungen besser verstehen zu lernen. Die Nichtwirtsresistenz beruht auf mehreren Verteidigungsebenen, welche konstitutive und induzierte Komponenten beinhalten. Die Bedeutung induzierter Abwehrreaktionen für die Nichtwirtsresistenz gegen bakterielle Pathogene ist nicht vollständig klar. Die Daten der vorliegenden Arbeit legen nahe, dass das Wachstum von Nichtwirtsbakterien in Arabidopsis-Blättern durch vorgebildete toxische Substanzen und durch induzierte Zellwandverstärkungen gehemmt wird. Nichtwirtsbakterien verursachen eine schnelle Induktion der Expression der Ligninbiosynthesegene PAL1 und BCB, die unabhängig vom Typ III-Sekretionssystem ist und möglicherweise zur Papillenbildung beiträgt. Darüber hinaus ist die Überlebensrate der Nichtwirtsbakterien in den extrazellulären Räumen der Arabidopsis pal1-Mutante höher als in Wildtyp-Pflanzen, was die funktionelle Bedeutung der PAL1-Expression bei der Nichtwirtsresistenz verdeutlicht. Außerdem zeigen die Experimente, dass Nichtwirtsbakterien in ähnlicher Weise wie Wirtsbakterien die Akkumulation von Salicylsäure und die Expression von PR-Genen induzieren. Die Induktion dieser Abwehrkomponenten ist abhängig von einem intakten Typ III-Sekretionssystem. Die Signalwege, auf denen nach Kontakt mit Nichtwirtsbakterien und Wirtsbakterien Abwehrreaktionen induziert werden, sind ähnlich. Es wurden jedoch zwischen zwei verschiedenen Nichtwirtsstämmen auch unterschiedliche Signalwege aktiviert, was möglicherweise auf ein unterschiedliches Repertoire von TypIII-Effektoren der beiden Stämme zurückgeführt werden kann. Trotz der Aktivierung dieser induzierten Abwehr zeigen Experimente mit klassischen Abwehrmutanten, dass SA- und JA-abhängige Abwehrreaktionen nicht direkt zur Nichtwirtsresistenz gegen P. syringae beitragen. Weiterhin zeigt diese Arbeit, dass die Nichtwirtsresistenz des Arabidopsis-Ökotyps Col-0 effektiver ist als die des Ler-0-Ökotyps, obwohl bei letzterem die Resistenz gegen virulente Bakterien höher ist. Diese Unterschiede scheinen nicht mit der unterschiedlichen Glucosinolatzusammensetzung der beiden Ökotypen im Zusammenhang zu stehen. Um das Verständnis der Nichtwirtsresistenz von Arabidopsis gegenüber P. syringae zu verbessern, können in zukünftigen Experimenten Doppel- und Triplemutanten hergestellt werden, die gleichzeitig Defekte in der zellwandabhängigen Abwehr (Lignin- und Callosebiosynthese) und in klassischen, SA-abhängigen Abwehrreaktionen aufweisen. Auch können Analysen des Genom-Polymorphismus und der Zusammensetzung von Sekundärmetaboliten in den Ökotypen Ler-0 und Col-0 zu einem besseren Verständnis der Nichtwirtsresistenz führen. Die Resultate dieser Arbeit zeigen, dass ein lokaler, symptomfreier Kontakt von Arabidopsis-Blättern mit Nichtwirtsbakterien, TTSS-defiziente Bakterien und allgemeine bakterielle Elicitoren (PAMPs) wie Flagellin und Lipopolysaccharide die systemisch erworbene Resistenz innerhalb der Gesamtpflanze hervorrufen. Die symptomlose systemische Resistenzreaktion findet in SAR-defizienten Mutanten nicht statt, wird jedoch in der Jasmonat-insensitiven jar1-Mutante, die keine ISR-Reaktion ausbilden kann, beobachtet. Durch Behandlung von Arabidopsis-Blättern mit unterschiedlichen Inokuli von virulenten oder avirulenten P. syringae-Stämmen wurde auch eine deutliche Korrelation des Ausmaßes der SAR-Induktion mit der Höhe der SA-Akkumulation oder der PR-Genexpression, aber nicht mit der Nekrosenbildung oder der JA-Produktion, am Infektionsort festgestellt. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass nicht die Hypersensitive Reaktion oder Gewebenekrosen, sondern möglicherweise die Stärke bestimmter Abwehrreaktionen am Ort der Inokulation zur Auslösung der SAR beitragen. Die Befunde, dass die systemische Resistenz auch durch PAMPs und durch TTSS-defekte P. syringae-Stämme erhöht wird, verdeutlicht die wichtige Rolle von allgemeinen Elicitoren bei der SAR-Induktion. In künftige Experimenten kann untersucht werden, ob verschiedene PAMPs die SAR in synergistischer Weise induzieren und ob allgemeine Elicitoren pilzlicher Herkunft SAR auslösen können. Weiterhin können die molekulare Prozesse spezifiziert werden, die stromabwärts von PAMP-Erkennungsprozessen für die SAR-Ausbildung notwendig sind. In weiteren Experimenten könnte die Hypothese überprüft werden, ob einzelner PAMPs als mobile SAR-Langstreckensignale fungieren können. Durch phytopathologische Charakterisierung von T-DNA-Knockout-Linien, die Defekte in Genen aufweisen, welche in Arabidopsis nach einer P. syringae-Infektion aufreguliert werden, konnte das FLAVIN-DEPENDENT MONOOXYGENASE1 (FMO1)-Gen als notwendige Komponente der SAR in Arabidopsis identifiziert werden. So bleiben die im Wildtyp induzierten systemischen Abwehrreaktionen und die Erhöhung der systemischen Resistenz nach lokaler Inokulation mit P. syringae in fmo1-Knockout-Pflanzen vollständig aus. Weiterhin korreliert die systemische Expression des FMO1-Gens eng mit der SAR-Induktion. So gibt es bei allen Abwehrmutanten, die keine SAR nach Kontakt mit P. syringae ausbilden können, keine FMO1-Expression in distalen Blättern inokulierter Pflanzen. Umgekehrt verhält es sich mit Arabidopsis-Linien, die die SAR ausbilden. Die erhaltenen Ergebnisse deuten darauf hin, dass FMO1 eine wichtige Komponente eines Signalverstärkungszyklus darstellt, der in nichtinfizierten, systemischen Teilen der Pflanze wirkt, um die SAR zu ermöglichen. In künftigen Experimenten soll der postulierte Amplifizierungsmechanismus experimentell verifiziert werden. Die Konstruktion von transgenen Linien, die ein FMO1:GFP-Fusionsprodukt exprimieren, kann Informationen über die zelluäre Lokalisation des FMO1-Proteins liefern. Weiterhin können vergleichende Analysen der chemischen Zusammensetzung von Blattextrakten der fmo1 Knockout-Linien, von FMO1-Überexprimierern und von Wildtyp-Pflanzen zur Aufklärung der biochemischen Reaktion beitragen, die die FMO1-Monooxygenase katalysiert. In Anlehnung an die Funktion von yFMO, die die einzige Flavin-abhängige Monooxygenase der Hefe darstellt, kann überprüft werden, ob FMO1 die korrekte Faltung von Proteinen am endoplasmatischen Retikulum vermittelt. Schließlich kann durch die Identifizierung weitere SAR-Gene nach der beschriebenen Strategie und durch funktionelle Charakterisierung der zugehörigen Proteine das Verständnis der SAR-Reaktion auf molekularer Ebene weiter verbessert werden.
N2  - NO has been described as an important component involved in the development of the hypersensitive reaction (Delledonne et.al., 1998). Furthermore, NO induces expression of a set of defence gene, such as PR-1, PAL1 and chalcone synthase (CHS), and accumulation of SA (Durner et al., 1998). In this study, transgenic plants with altered NO levels were used to study the role of NO in plant defence. Arabidopsis plants which, due to expression of a bacterial NO dioxygenase, exhibit lower levels of NO than wild-type plants, show several weakened defence response, including the oxidative burst and expression of phenylpropanoid pathway genes. By contrast, constitutive expression of a bacterial NO synthase in Arabisopsis results in increased levels of endogenous NO. However, these plants do not show constitutively activated defence responses, but suffer from increased susceptibility to various strains of P. syringae. This might indicate that a gradient in NO production rather than constitutive elevation of NO is necessary to trigger plant defence responses. Nevertheless, NO seems to be important for regulation of the oxidative state in plant cells. This function of NO is important during leaf senescence. The data of the present work indicate that NO acts as senescence-delaying factor during plant development. The molecular action of NO in plants and signalling cascades in which NO is involved as second messenger are still poorly understood. Experiments addressing the selective quantification of NO in intact plant tissue, the identification of NO-target proteins as well as the function of NO-modified biomolecules might help to understand the role of NO in plants. Non-host resistance consists of several layers of defence that include preformed compounds existing in plants before pathogen infection and induced defences which the plant activates after recognition of a pathogen. The role of inducible defences in preventing multiplication of non-adapted bacteria is not clear. Our experiments suggest that to restrict non-adapted bacterial growth, pre-formed antimicrobial compounds and an early inducible cell wall-based defence might play an important role in Arabidopsis leaves. Upon inoculation with non-adapted bacteria, we have observed early, TTSS-independent up-regulation of PAL1 and BCB, two lignin biosynthesis genes which might be involved in papilla formation or other kinds of cell wall fortification. Moreover, Arabidopsis pal1 knockout lines permit significantly higher survival of non-adapted bacteria in leaves than wild-type plants, suggesting a functional importance of PAL1 up-regulation. Although non-host bacteria, like host bacteria, induce accumulation of SA and PR gene expression in a TTSS-dependent manner, SA-dependent or JA/ET-dependent defences do not directly contribute to non-host resistance. Moreover, non-adapted bacteria activate similar defence signalling pathways as do host bacteria. However, because of varieties in effector protein composition between different non-adapted bacterial strains, the activated signalling pathways might also include different compounds. The Arabidopsis ecotype Ler 0 is more susceptible to a non-adapted strain of P. syringae than ecotype Col-0. Although differences in glucosinolate content and composition between those ecotypes exist, they are probably not a major reason for the observed difference in non-host resistance. To further understand the mechanisms underlying non-host resistance, the generation of double or triple mutants with deficits in both cell wall-based defences and SA-dependent signal cascades is necessary. Moreover, the study of genome polymorphism and composition of secondary metabolites between Ler-0 and Col-0 can shed new light into the mechanisms of non-host resistance against bacterial pathogens. Additionally, experiments addressing papilla formation and callose biosynthesis in Ler-0 and Col-0 could help to further elucidate bacterial non-host resistance. Our data indicate that localized contact of Arabidopsis leaves with non-adapted bacteria, type III secretion-defective P. syringae strains and bacterial pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) induce systemic acquired resistance (SAR) at the whole plant level. This finding contrasts the general belief that an HR or other leaf necroses are required for SAR induction. The observed symptomless systemic response was abolished in all SAR-deficient mutants tested in this study, but was intact in the jar1 mutant, which is compromised in induction of ISR, indicating that non-host bacteria and PAMPs induce SAR in a mechanistically similar way than host bacteria. In addition, our data show that the extent of SA accumulation or PR gene expression induced at sites of virulent or avirulent P. syringae inoculation rather than the amount of tissue necroses or jasmonate accumulation determine the magnitude of SAR. The fact that systemic responses were also triggered after local treatment with type III secretion-defective P. syringae strains and bacterial PAMPs indicate that induction of SAR is TTSS-independent. Instead, recognition of general elicitors like flagellin and LPS play an important role in activation of the SAR process. To broaden the concept of PAMP-based SAR initiation, further general elicitors from bacteria and fungal pathogens should be tested for their capability to induce SAR. Screens for mutants with deficiency in SAR activation by individual PAMPs can help to identify new components involved in the SAR signalling cascade. Possible functions of PAMPs as mobile systemic signals should be tested in future experiments. By selection of candidate genes whose expression is up-regulated in Arabidopsis leaves infected with avirulent and virulent P. syringae and pathophysiological analyses of corresponding T-DNA knockout lines, FLAVIN-DEPENDENT MONOOXYGENASE1 (FMO1) was identified as a key SAR regulator. SAR triggered by P. syringae is completely abolished in fmo1 mutant plants, and pathogen-induced expression of FMO1 in systemic leaves is closely correlated with the capability of different Arabidopsis lines to develop SAR. According to our findings, we have proposed that the FMO1 acts in signal amplification in non-inoculated, systemic leaves to trigger SAR. Experimental verification of the postulated potential amplification cycle underlying SAR should be tested in future experiments. The generation of transgenic lines expressing FMO1::GFP will provide useful information about the cellular localization of the FMO1 protein. Moreover, a comparative metabolomic analysis using SAR-induced wild-type, fmo1 knockout and FMO1 overexpressing lines can be used to identify substrates and reaction products of the FMO1 monooxygenase. As the single yeast FMO (yFMO) provides oxidizing equivalents at the ER for correct protein folding, expression of FMO1 in yfmo mutant yeast combined with protein activity assays might indicate whether FMO1 exhibits functional similarities with yeast FMO, e.g. in assuring proper folding of ER-targeted proteins essential for SAR establishment. Identification of further genes involved in activation of systemic resistance and biochemical characterization of the corresponding proteins can help to understand the SAR process in more detail.
KW  - Ackerschmalwand
KW  - Pseudomonas syringae
KW  - Induzierte Resistenz
KW  - Stickstoffmonoxid
KW  - Arabidopsis thaliana
KW  - Pseudomonas syringae
KW  - systemisch erworbene Resistenz
KW  - Stickstoffmonoxid
KW  - Nichtwirtsresistenz
KW  - Arabidopsis thaliana
KW  - Pseudomonas syringae
KW  - systemic acquired resistance
KW  - nitric oxide
KW  - non-host resistance
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-23160
ER  -