TY  - THES
A1  - von Rüden, Martin Frederik
T1  - The Venus flytrap - Role of oxylipins in trap performance of Dionaea muscipula
T1  - Die Venus Fliegenfalle – Die Rolle von Oxilipinen im Fallenverhalten von Dionaea muscipula
N2  - A part of the plant kingdom consists of a variety of carnivorous plants. Some trap their prey
using sticky leaves, others have pitfall traps where prey cannot escape once it has fallen inside.
A rare trap type is the snap-trap: it appears only twice in the plant kingdom, in the genera
Aldrovanda and Dionaea. Even Charles Darwin himself described Dionaea muscipula, the
Venus flytrap, with the following words “This plant, commonly called Venus' fly-trap, from the
rapidity and force of its movements, is one of the most wonderful in the world”. For a long
time now, the mechanisms of Dionaea’s prey recognition, capture and utilization are of
interest for scientists and have been studied intensively.
Dionaea presents itself with traps wide-open, ready to catch insects upon contact. For this,
the insect has to touch the trigger hairs of the opened trap twice within about 20-30 seconds.
Once the prey is trapped, the trap lobes close tight, forming a hermetically sealed “green
stomach”.
Until lately, there was only limited knowledge about the molecular and hormonal mechanisms
which lead to prey capture and excretion of digestive fluids. It is known that the digestion
process is very water-consuming; therefore, the interplay of digestion-inducing and digestion inhibiting
substances was to be analyzed in this work, to elucidate the fine-tuning of the
digestive pathway. Special attention was given to the impact of phytohormones on mRNA
transcript levels of digestion-related proteins after various stimuli as well as their effect on
Dionaea’s physiological responses.
Jasmonic acid (JA) and its isoleucine-conjugated form, JA-Ile, are an important signal in the
jasmonate pathway. In the majority of non-carnivorous plants, jasmonates are critical for the
defense against herbivory and pathogens. In Dionaea, this defense mechanism has been
restructured towards offensive prey catching. One question in this work was how the
frequency of trigger hair bendings is related to the formation of jasmonates and the induction
of the digestion process. Upon contact of a prey with the trigger hairs in the inside of the trap,
the trap closes and jasmonates are produced biosynthetically. JA-Ile interacts with the COI1-
receptor, thereby activating the digestion pathway which leads to the secretion of digestive
fluid and production of transporters needed to take up prey-derived nutrients. In this work it
could be shown that the number of trigger hair bendings is positively correlated with the level
and duration of transcriptional induction of several digestive enzymes/hydrolases.
Abscisic acid (ABA) acts, along with many other functions, as the plant “drought stress
hormone”. It is synthesized either by roots as the primary sensor for water shortage or by
guard cells in the leaves. ABA affects a network of several thousand genes whose regulation
prepares the plant for drought and initiates protective measurements. It was known from
previous work that the application of ABA for 48 hours increased the required amount of
trigger hair bendings to achieve trap closure. As the digestion process is very water-intensive,
the question arose how exactly the interplay between the jasmonate- and the ABA-pathway
is organized, and if ABA could stop the running digestion process once it had been activated.
In the present work it could be shown that the application of ABA on intact traps prior to
mechanically stimulating the trigger hairs (mechanostimulation) already significantly reduced
the transcription of digestive enzymes for an incubation time as short as 4 h, showing that
already short-term exposure to ABA counteracts the effects of jasmonates when it comes to
initiating the digestion process, but does not inhibit trap closure. Incubation for 24 and 48
hours with 100 μM active ABA had no effect on trap reopening, only very high levels of 200
μM of active ABA inhibited trap reopening but also led to tissue necrosis. As the application
of ABA could reduce the transcription of digestive hydrolases, it is likely that Dionaea can stop
the digestion process, if corresponding external stimuli are received.
Another factor, which only emerged later, was the effect of the wounding-induced systemic
jasmonate burst. As efficient as ABA was in inhibiting marker hydrolase expression after
mechanostimulation in intact plants, the application of ABA on truncated traps was not able
to inhibit mechanostimulation-induced marker hydrolase expression. One reason might be
that the ABA-signal is perceived in the roots, and therefore truncated traps were not able to
react to it. Another reason might be that the wounding desensitized the tissue for the ABAsignal.
Further research is required at this point.
Inhibitors of the jasmonate pathway were also used to assess their effect on the regulation of
Dionaea´s hunting cycle. Coronatine-O-methyloxime proved to be a potent inhibitor of
mechanostimulation-induced expression of digestive enzymes, thus confirming the key
regulatory role of jasmonates for Dionaea´s prey consumption mechanism.
In a parallel project, the generation of in vitro cultures from sterilized seeds and single plant
parts proved successful, which may be important for stock-keeping of future transgenic lines.
Protoplasts were generated from leaf blade tissue and transiently transformed, expressing the
reporter protein YFP after 24 h of incubation. In the future this might be the starting point for
the generation of transgenic lines or the functional testing of DNA constructs.
N2  - Ein Teil des Pflanzenreiches besteht aus einer Vielfalt fleischfressender Pflanzen. Einige fangen
ihre Beute mit klebrigen Blättern, andere haben Grubenfallen, aus denen die Beute nicht mehr
entkommen kann, wenn sie erst einmal hineingefallen ist. Ein seltener Fallentyp ist die
Klappfalle: Sie kommt im Pflanzenreich nur zweimal vor, in den Gattungen Aldrovanda und
Dionaea. Charles Darwin selbst beschrieb Dionaea muscipula, die Venusfliegenfalle, als "eine
der schönsten Pflanzen der Welt". Die Mechanismen der Erkennung, des Fangs und der
Nutzbarmachung von Beutetieren durch Dionaea sind seit langem von Interesse für die
Wissenschaft und wurden intensiv untersucht.
Dionaea hat weit geöffnete Fallen, die bei Kontakt Insekten fangen können. Dazu muss das
Insekt innerhalb von ca. 20-30 Sekunden zweimal die Triggerhaare der geöffneten Falle
berühren. Sobald die Beute gefangen ist, schließen sich die Fallenhälften fest und bilden einen
hermetisch verschlossenen sogenannten „grünen Magen“.
Bis vor einigen Jahren gab es nur wenige Informationen über die molekularen und
hormonellen Mechanismen, die zu Beutefang und Sekretion von Verdauungsflüssigkeiten
führen. Es ist bekannt, dass der Verdauungsprozess sehr viel Wasser verbraucht; daher sollte
in dieser Arbeit das Zusammenspiel von verdauungsauslösenden und verdauungshemmenden
Substanzen untersucht werden, um die Feinabstimmung des Verdauungsweges aufzuklären.
Ein besonderes Augenmerk wurde auf den Einfluss von Phytohormonen auf die mRNATranskriptzahlen
von Verdauungsproteinen nach verschiedenen Stimuli sowie auf deren
Auswirkungen auf die physiologischen Reaktionen von Dionaea gelegt.
Jasmonsäure (JA) und ihre mit Isoleucin konjugierte Form, JA-Ile, sind ein wichtiges Signal in
pflanzlichen Signaltransduktionsprozessen. In der Mehrzahl der nicht-karnivoren Pflanzen
sind Jasmonate entscheidend für die Abwehr von Herbivoren und Pathogenen. In Dionaea
wurde dieser Abwehrmechanismus für den offensiven Beutefang umstrukturiert. Eine Frage
in dieser Arbeit war also, wie die Häufigkeit der Triggerhaarberührungen mit der Bildung von
Jasmonaten und dem Verdauungsvorgang miteinander in Verbindung steht. Beim Kontakt von
Beute mit den Triggerhaaren im Inneren der Falle schließt sich diese, und es werden durch
Biosynthese Jasmonate gebildet. JA-Ile interagiert mit dem COI1-Rezeptor und aktiviert so den
Verdauungsweg, der zur Sekretion von Verdauungsflüssigkeit und zur Produktion von
Transportern führt, welche zur Aufnahme von aus Beute gewonnenen Nährstoffen benötigt
werden. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Anzahl der Triggerhaarberührungen
positiv mit der Höhe und der Dauer der Transkriptionsinduktion mehrerer Verdauungsenzyme
bzw. Verdauungshydrolasen korreliert.
Abscisinsäure (ABA) fungiert neben vielen anderen Funktionen als pflanzliches
„Trockenstresshormon“. Es wird entweder von Wurzeln als primärem Sensor für
Wassermangel oder von Schließzellen in den Blättern synthetisiert. ABA beeinflusst ein
Netzwerk von mehreren tausend Genen, deren Regulation die Pflanze auf Dürre vorbereitet und entsprechende Schutzmaßnahmen einleitet.
Aus früheren Arbeiten war bekannt, dass die 48-stündige Inkubation einer Dionaea-Falle mit
ABA die erforderliche Anzahl an Triggerhaarberührungen erhöhte, die für einen Fallenschluss
notwendig sind. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass das Aufbringen von
ABA auf intakte Fallen vor der mechanischen Stimulierung der Triggerhaare
(Mechanostimulation) die Expression von Verdauungsenzymen bereits bei einer
Inkubationszeit von nur 4 Stunden signifikant reduzierte. Das zeigte eindeutig, dass die
kurzzeitige Einwirkung von ABA bereits die Effekte von Jasmonaten blockiert, wenn es um den
Beginn des Verdauungsprozesses geht, aber keinen Einfluss auf den Fallenschluss hat. Eine
Inkubation für 24 und 48 Stunden mit 100 μM aktiver ABA hatte keine Auswirkung auf das
Wiederöffnen der Falle, nur sehr hohe Konzentrationen von 200 μM aktiver ABA hemmten
das Wiederöffnen der Falle, führten aber auch zu Gewebenekrose. Da ABA die Transkription
der Verdauungsenzyme reduzieren konnte, ist es wahrscheinlich, dass Dionaea den
Verdauungsvorgang stoppen kann, wenn entsprechende externe Signale empfangen werden.
Ein weiterer Einflussfaktor, welcher erst später erkannt wurde, war die Auswirkung des
verwundungsbedingten, sprunghaften systemischen Anstiegs der Jasmonatkonzentration auf
die Wirkung von extern aufgegebenen Phytohormonen. So wirksam ABA bei der Hemmung
der Markerhydrolasen-Expression nach Mechanostimulation in intakten Pflanzen war, so
konnte diese Inhibition nach Anwendung von ABA auf abgeschnittenen Fallen nicht mehr
beobachtet werden. Ein Grund könnte sein, dass das ABA-Signal in den Wurzeln
wahrgenommen wird und daher abgeschnittene Fallen nicht darauf reagieren konnten. Ein
anderer Grund könnte sein, dass die Verwundung das Gewebe für das ABA-Signal
desensibilisiert hat. An dieser Stelle besteht weiterer Forschungsbedarf.
Ebenfalls wurden Inhibitoren des Jasmonat-Weges verwendet, um ihre Wirkung auf die
Regulation des Beutefangzyklus von Dionaea zu untersuchen. Coronatine-O-methyloxim
erwies sich als wirksamer Inhibitor der durch Mechanostimulation induzierten Expression von
Verdauungsenzymen und bestätigte damit die zentrale regulatorische Rolle von Jasmonaten
für den Beutefangmechanismus von Dionaea.
Ein parallel laufendes Projekt war die Erzeugung von in vitro-Kulturen aus sterilisiertem
Saatgut und einzelnen Pflanzenteilen, das sich als sehr erfolgreich erwies, was für die
Erzeugung zukünftiger transgener Linien wichtig sein kann. Ebenfalls wurden Protoplasten aus
Blattgewebe erzeugt, diese wurden transient transformiert und exprimierten YFP nach einer
Inkubationszeit von 24 Stunden. In Zukunft könnte dies der Ausgangspunkt für die
Generierung transgener Linien sein und der Funktionsüberprüfung von DNA-Konstrukten sein.
KW  - Venusfliegenfalle
KW  - Protoplast
KW  - Abscisinsäure
KW  - Jasmonsäure
KW  - Antibiotikum
KW  - Dionaea
KW  - Herbicid
KW  - Celaflor
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-273854
ER  - 
TY  - THES
A1  - Förster, Sabrina
T1  - Regulation des Kaliumausstroms im  ABA- und Jasmonatvermittelten Stomaschluss
T1  - Regulation of Potassium Efflux in the ABA- and Jasmonate-controlled Stomatal Closure
N2  - Stomata sind mikroskopisch kleine Poren in der Blattoberfläche der Landpflanzen, über die das Blattgewebe mit CO2 versorgt wird. Als Schutz vor Austrocknung oder einer Infektion durch Pathogene entwickelte sich ein Mechanismus, um die Porenweite durch Bewegung der sie umgebenden Schließzellen an die Bedürfnisse der Pflanze anzupassen. Ein eng geknüpftes Signalnetzwerk kontrolliert diese Bewegungen und ist in der Lage, externe wie interne Stimuli zu verarbeiten. Der Schließvorgang wird osmotisch durch den Turgorverlust in den Schließzellen angetrieben, der durch den Efflux von Ionen wie K+ ausgelöst wird. In dieser Arbeit wurde die Regulation durch Phosphorylierung des wichtigsten K+-Effluxkanals für den Stomaschluss, GORK, untersucht. Folgende Erkenntnisse wurden durch elektrophysiologische Untersuchungen mit der DEVC-Methode gewonnen: GORK wird durch OST1 auf Ca2+- unabhängige und durch CBL1/9-CIPK5 und CBL1-CIPK23 auf Ca2+-abhängige Weise phosphoryliert und damit aktiviert. CBL1 muss CIPK5 an der Plasmamembran verankern und Ca2+ binden. CIPK5 benötigt ATP und eine Konformationsänderung, um GORK zu phosphorylieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde auch zum ersten Mal gezeigt, dass die PP2CPhosphatase ABI2 direkt mit einem Kanal interagiert und dessen Aktivität hemmt. ABI2 interagiert auch mit den Kinasen OST1, CIPK5 und CIPK23, sodass die Kontrolle der Kanalaktivität auf multiple Weise stattfinden kann. OST1 und ABI2 verbinden die GORKRegulation mit dem ABA-Signalweg. Schließzellen von gork1-2, cbl1/cbl9 und cipk5-2 sind insensitiv auf MeJA, nicht aber auf ABA. Dies stellt eine direkte Verbindung zwischen dem Jasmonatsignalweg und der Ca2+-Signalgebung dar. Im Rahmen dieser Arbeit konnten weitere Hinweise für das komplexe Zusammenspiel der Phytohormone ABA, JA und des Pseudomonas- Effektors Coronatin gefunden werden. Hier konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass Schließzellen je nach Inkubationszeit unterschiedlich auf MeJA und das Phytotoxin Coronatin reagieren. ABA und Coronatin verhalten sich dabei antagonistisch zueinander, wobei der Effekt der Stimuli auf die Stomaweite von der zeitlichen Abfolge der Perzeption abhängt. Der Jasmonat-Signalweg in Schließzellen löst eine geringe ABA-Synthese sowie den Proteinabbau durch das Ubiquitin/26S-Proteasom-System aus und benötigt ABA-Rezeptoren (PYR/PYLs), um einen Stomaschluss einzuleiten. Durch diese Arbeit konnte somit die JA-gesteuerte Regulation des Kaliumefflux-Kanals GORK entschlüsselt sowie einige Unterschiede zwischen den ABA, JA und Coronatin-vermittelten Schließzellbewegungen aufgedeckt werden.
N2  - Stomata are microscopically small pores in the leaf surface of land plants, through which the leaf tissue is supplied with CO2. To protect the plant from both desiccation and infection by pathogens, a mechanism evolved to adjust the pore width to the plant’s needs by movement of the surrounding guard cells. A dense signaling network controls these movements and is able to integrate external as well as internal stimuli. Stomatal closure is osmotically driven by the loss of turgor in guard cells caused by efflux of ions such as K+. In this work, we investigated the regulation by phosphorylation of the main K+ efflux channel for stomatal closure, GORK. The following results were obtained with electrophysiological measurements via the DEVC- technique: GORK is phosphorylated by OST1 in a Ca2+- independent and by CBL1/9-CIPK5 as well as CBL1-CIPK23 in a Ca2+-dependent manner. CBL1 anchors CIPK5 at the plasma membrane and must bind Ca2+ for activation of CIPK5. CIPK5 requires both ATP binding and a conformational change for phosphorylation of GORK. For the first time it was shown that the PP2C phosphatase ABI2 interacts directly with an ion channel and inhibits its activity. ABI2 also interacts with the kinases OST1, CIPK5 and CIPK23, implying a control by ABI2 over channel activity in multiple ways. OST1 and ABI2 link GORK regulation with the ABA signaling pathway. Guard cells of gork1-2, cbl1/cbl9 and cipk5-2 are insensitive to MeJA, but not to ABA. This represents a direct connection between JA signal transduction and Ca2+ signaling. In this work, further hints could be found for the complex interplay of the phytohormones ABA, JA and the effector Coronatine of Pseudomonas. Here it was shown for the first time that guard cells respond differently to MeJA and the phytotoxin Coronatine, based on incubation time. Depending on the temporal sequence of perception, ABA and Coronatine act antagonistically on the pore width. Jasmonate signal transduction in guard cells leads to a minor synthesis of ABA as well as protein degradation via the ubiquitin/ 26S proteasome system and initiates stomatal closure requiring ABA receptors (PYR/PYLs). This work describes the JA-controlled regulation of the potassium efflux channel GORK as well as some differential aspects of ABA, JA and Coronatine triggered stomatal movements.
KW  - Ackerschmalwand
KW  - Stomata
KW  - Arabidopsis thaliana
KW  - Phophorylierung
KW  - Phytohormon
KW  - Spaltöffnung
KW  - Kaliumkanal
KW  - Abscisinsäure
KW  - Jasmonsäure
KW  - Pflanzenhormon
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-115455
ER  - 
TY  - THES
A1  - Findling, Simone
T1  - Untersuchungen zur Relevanz der reversiblen Methylierung von Jasmonsäure in Solanum lycopersicum
T1  - Analysis of the relevance of the reversible methylation of jasmonic acid in Solanum lycopersicum
N2  - Jasmonate sind wichtige zelluläre Mediatoren, die eine essentielle Rolle in der Pflanzen-entwicklung und Abwehr von biotischem und abiotischem Stress spielen. Jasmonsäure (JA) als zentrales Intermediat kann dabei auf unterschiedlichste Art und Weise metaboli-siert werden. Eine Möglichkeit der Metabolisierung ist die Veresterung der JA zu Methyljasmonat (MeJA) durch die Jasmonsäure-Carboxyl-Methyltransferase (JMT). Interessanterweise ist diese Reaktion reversibel, da die Methyljasmonatesterase (MJE) die Hydrolyse zu JA katalysiert. Obwohl die Funktion diverser Metabolite, wie die des biologisch aktivsten Metaboliten JA-Isoleucin, aufgeklärt wurde, ist die Rolle der reversiblen Methylierung noch weitestgehend unklar. Aufgrund der differenten physikochemischen Eigenschaften von JA und MeJA wird diskutiert ob MeJA von JA unterschiedliche biologische Eigenschaften aufweist und/oder als transzelluläres oder systemisches Signal fungiert. Anhand der Generierung transgener Pflanzen, in denen die Umwandlung zwischen JA und MeJA gestört ist, sollten diese Hypothesen überprüft werden. Dazu wurden Tomatenlinien hergestellt, die die Enzyme der reversiblen Methylierung (JMT, MJE) überexprimieren (JMT-OE, MJE-OE) sowie Linien, in denen durch ,,Post transcriptional gene silencing“ die MJE verringert exprimiert wird. Basierend auf MJE-RNAi-Linien, die eine reduzierte in vitro MeJA-Hydrolyseaktivität auf-weisen, sollte durch exogene Applikation von MeJA analysiert werden, ob MeJA selbst biologische Aktivitäten aufweist oder zunächst mittels MJE in JA umgewandelt werden muss. Es war kein reproduzierbarer Unterschied der Reaktion auf die MeJA-Applikation über die wässrige Phase und über die Gasphase zwischen Kontroll- und MJE-RNAi-Linien festzustellen. Um zu eruieren, ob MeJA als transzelluläres, parakrines Signal agiert, wurden die Gen-expression und das Oxylipinprofil in verwundeten Blättern der transgenen Linien unter-sucht. Ob MeJA als systemisches Signal dient, sollte anhand der Verwundung von Pfropfkombinationen aus Kontrolllinie als Unterlage und MJE-RNAi als Spross anhand der Analyse der Genexpression in distalen Bereichen festgestellt werden. Die Ergebnisse der Studien deuten daraufhin, dass MeJA weder als transzelluläres Signal noch als sys-temisches Signal bei der Verwundungsantwort agiert. Zudem kann ausgeschlossen wer-den, dass die MJE in distalen Bereichen der Pflanze in der Perzeption des systemischen Signals involviert ist. Da Jasmonate an der Abwehr von Pathogenen beteiligt sind, wurde die Empfindlichkeit gegenüber dem nekrotrophen Pilz S. sclerotiorum getestet. Alle transgenen Linien mit Veränderung der reversiblen Methylierung wiesen erhöhte Läsionsgrößen, stärkeres Pilzwachstum und erhöhte JA-Isoleucin und 12-OH-JA-Isoleucin Spiegel auf. Allerdings war keine Korrelation zwischen den erhöhten JA-Isoleucin Spiegeln und der Expression von Abwehrgenen wie PINII und JA-Biosyntheseenzymen wie AOC zu verzeichnen. Somit scheint die reversible Methylierung eine Rolle in der Pathogenabwehr gegenüber S. sclerotiorum zu spielen jedoch sind die Mechanismen, die zur erhöhten Suszeptibilität der Linien führen, noch unklar.
N2  - Jasmonates are essential cellular mediators that play an important role in development and defense of biotic and abiotic stress stimuli. Jasmonic acid (JA) as central intermedi-ate can be metabolised in different ways. One possibility is the esterification of JA via jasmonic acid carboxyl methyltransferase (JMT) to methyl jasmonate (MeJA). Interest-ingly, this reaction is reversible as methyl jasmonate esterase (MJE) is able to hydrolyse MeJA into JA. Although the function of several JA metabolites such as JA-isoleucine, the biological most active one was elucidated, the in vivo function of reversible methylation is still unknown. Because JA and MeJA harbour different physicochemical properties, MeJA is assumed to function as transcellular and/or even systemic signal. This hypothe-sis was addressed by the analysis of transgenic plants disturbed in JA and MeJA conver-sion. Tomato plants overexpressing the enzymes of the reversible methylation as well as transgenic plants with reduced MJE expression induced via post transcriptional gene silencing of MJE were generated. Based upon MJE-RNAi-lines with reduced MeJA in vitro cleaving activity, it was analysed if MeJA is biologically active per se or if it only exerts its effects after hydrolysis to JA. There was no reproducible difference between control line and MJE-RNAi-line observed in response to MeJA application by vapor and liquid phase. To evaluate the role of MeJA as transcellular or paracrine signal, wounded leaves of all transgenic lines were analysed with respect to changes in gene expression and oxylipin profile. To analyse if MeJA may act as a systemic signal, wounding experiments with grafting combinations of wildtype stock and MJE-RNAi scion were performed and distal gene expression was observed. The experimental results suggest that MeJA acts neither as transcellular nor as systemic signal. Furthermore, it can be excluded that MJE is involved in the perception of the systemic signal in distal tissues of the plant. Because jasmonates are involved in pathogen defense, the susceptibility against the necrotrophic pathogen S. sclerotiorum was also tested. All transgenic lines with alterations in reversi-ble methylation exhibit a higher lesion diameter, enhanced growth of fungi and higher JA-isoleucine and 12-OH-JA-isoleucine levels. However, there was no correlation be-tween high JA-isoleucine levels and expression of defense genes such as PINII and JA-biosynthesis genes, e.g. AOC. Hence, reversible methylation seems to be involved in the pathogen response towards S. sclerotiorum but the mechanisms responsible for the higher susceptibility are still unknown.
KW  - Jasmonsäure
KW  - Methyljasmonat
KW  - JMT
KW  - Solanum lycopersicum
KW  - MJE
KW  - Sclerotinia
KW  - Verwundung
KW  - jasmonic acid
KW  - methyl jasmonate
KW  - Solanum lycopersicum
KW  - MJE
KW  - Sclerotinia
KW  - Tomate
KW  - Sclerotinia sclerotiorum
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-74595
ER  - 
TY  - THES
A1  - Müller, Stefan
T1  - Wirkspektrum und Signaltransduktionsmechanismus von oxidierten Lipiden in Arabidopsis thaliana
N2  - Die endogen in Pflanzen radikalisch gebildeten Phytoprostane regulieren in Arabidopsis thaliana eine Reihe von Genen, die an den Prozessen der Detoxifizierung und Zellproliferation beteiligt sind, während die externe Applikation dieser Oxylipine in vitro eine Akkumulation von sekundären Metaboliten, sogenannten Phytoalexinen, nach sich zieht. Ferner war aus vorherigen Arbeiten des Lehrstuhls für Pharmazeutische Biologie bekannt, dass die Vorbehandlung mit Phytoprostanen in Arabidopsis thaliana eine Schutzwirkung gegen nachfolgenden oxidativen Stress vermittelt. Neben nicht-enzymatisch gebildeten Oxylipinen akkumulieren in höheren Pflanzen als Antwort auf einen oxidativen Stress auch enzymatisch gebildete Oxylipine wie 12-Oxophytodiensäure (OPDA) und Jasmonsäure (JA). Als Ausgangspunkt zur systematischen Analyse der von einzelnen Phytoprostanen vermittelten Wirkspektren diente in der vorliegenden Arbeit eine Transkriptionsanalyse unter Verwendung einer mixotrophen Arabidopsis thaliana Zellkultur nach Phytoprostan-A1 (PPA1)-Behandlung. In weiterführenden Experimenten wurde das durch PPA1-vermittelte Genexpressionsprofil mit dem Profil von weiteren, nicht-enzymatischen sowie dem durch die enzymatisch gebildeten Oxylipine OPDA bzw. JA hervorgerufenen Genexpressionsprofil verglichen. Die Vergleiche zeigten signifikante Übereinstimmungen, aber auch deutliche Unterschiede im Wirkprofil einzelner enzymatischer bzw. nicht-enzymatischer Oxylipine. Das Wirkungsspektrum der radikalisch gebildeten PPA1 überschneidet sich zu 40 Prozent mit dem der enzymatisch gebildeten OPDA, jedoch nur zu sieben Prozent mit dem Wirkspektrum der ebenfalls enzymatisch gebildeten JA. Diese Beobachtung ließ einen über strukturelle Merkmale vermittelten Signalmechanismus vermuten, da die chemischen Strukturen von PPA1 und OPDA, nicht jedoch PPA1 und JA, verwandt sind. Zur Überprüfung der vorstehenden Hypothese wurden die Promotorbereiche der durch PPA1 mehr als dreifach induzierten Gene bioinformatisch auf häufig vorhandene Sequenzmotive untersucht. Es zeigte sich, dass etwa die Hälfte der Promotorbereiche der durch PPA1 induzierten Gene ein Bindungsmotiv für TGA-Transkriptionsfaktoren enthält. Nachfolgende Transkriptomanalysen in der TGA-Dreifach knockout Arabidopsis thaliana Mutante tga2tga5tga6 zeigten, dass 60 Prozent der PPA1- bzw. 30 Prozent der ODPA-vermittelten Genexpression durch die TGA-Transkriptionsfaktoren TGA2, TGA5 und TGA6 vermittelt werden. Neben übereinstimmenden Wirkungen von PPA1 und OPDA in der Genexpression sind in der Literatur überschneidende Wirkungen von OPDA und JA bezüglich einer Wurzelwachstumshemmung in Arabidopsis thaliana beschrieben. In Experimenten zur Untersuchung des Wurzelwachstums resultierte die exogene Applikation von JA bzw. OPDA auf Arabidopsis thaliana Samen in einer Hemmung des Wurzelwachstums um 63 bzw. 72 Prozent. Dagegen vermittelte PPA1 nur eine Hemmung um 50 Prozent. Die vorstehend beschriebenen Wirkungen verschiedener Phytoprostane belegen ein umfassendes Wirkspektrum dieser heterogenen Substanzklasse. Neben den in vorliegender Arbeit im Vordergrund stehenden Phytoprostan-vermittelten Stressreaktionen sind eine Reihe physiologischer Prozesse, darunter das Wurzelwachstum, zumindest teilweise durch Phytoprostane reguliert. Ferner konnte in der der vorliegenden Arbeit erstmalig gezeigt werden, dass mindestens zwei der durch Phytoprostane induzierten Gene Proteine kodieren, die effizient die Metabolisierung von Phytoprostanen fordern, um oxidativen Schäden vorzubeugen. Vermittelt werden die Phytoprostan- Wirkungen unter anderem durch die TGA-Transkriptionsfaktoren TGA2, TGA5 und TGA6, welche zur Expression von Detoxifizierungs- und Stressgenen führen.
N2  - Phytoprostanes that are endogenously and radically formed in higher plants regulate in Arabidopsis thaliana a number of genes that are involved in the processes of detoxification and cell proliferation. In contrast, the external application of these oxylipins results in vitro in the accumulation of secondary metabolites, so-called phytoalexines. Moreover, it was known from previous studies performed by the Chair for Pharmaceutical Biology that the pre-treatment with phytoprostanes in Arabidopsis thaliana leads to the protection against subsequent oxidative stress. In addition to nonenzymatically formed oxylipines, enzymatically formed oxylipines, such as 12-oxo-phytodienoic acid (OPDA) and jasmonic acid (JA) accumulate in higher plants as a consequence of oxidative stress. The present dissertation uses a transcription analysis of an Arabidopsis thaliana mixotroph cell culture after treatment with phytoprostane A1 (PPA1) as basis for the systematic analysis of the gene expression profile mediated by enzymatically and non-enzymatically formed oxylipines. Thus, in further experiments, the gene expression profile resulting from PPA1 was compared with the gene expression profile of other non-enzymatically, i.e., PPB1 and dPPJ1 as well as the one of the enzymatically formed oxylipins, i.e., OPDA and JA, respectively. These comparisons showed significant consistencies but also considerable differences in the gene expression profile of certain enzymatic and non-enzymatic oxylipines. In 40 percent of all cases, the gene expression profile of radically catalyzed PPA1 equals the one of enzymatically formed OPDA, but only in 7 percent of all cases, this gene expression profile is identical to the enzymatically catalyzed JA. This observation leads to the assumption of a signal mechanism resulting from structural characteristics, since the chemical structures of PPA1 and OPDA are related to each other while PPA1 and JA are not. In order to verify the above-mentioned hypothesis, the promoter regions of those genes which were more than three times induced were bioinformatically analysed for an abundance of specific binding sites. As a result, it turned out that approximately half of the promoter regions of the PPA1-induced genes contained a binding site for TGA transcription factors. Subsequent transcription analyses in the TGA-triple knockout Arabidopsis thaliana mutant tga2tga5tga6 showed that 60 percent of the PPA1- induced and 30 percent of the ODPA-induced gene expression was mediated by the TGA-transcription factors TGA2, TGA5 and TGA6. In addition to the overlapping effect on gene expression described above, the literature describes an equal effect of OPDA and JA concerning the root growth inhibition in Arabidopsis thaliana. In experiments performed to evaluate the overall growth of the seedlings by JA or OPDA resulted in a 63 or 72 percent reduction of the root length in comparison to control plants. Rather to the contrary the use of PPA1 only resulted in a 50 percent reduction in comparison to Arabidopsis thaliana control plants. Thus, the above mentioned effects of phytoprostanes demonstrate an extensive biological spectrum of these heterogenous types of substances. Apart from the phytoprostane-induced analysis of gene ecpression which is the crucial topic of this dissertation, a number of physiological processes, such as the root growth inhibition are at least in parts regulated by phytoprostanes. Furthermore, the present dissertation shows for the first time that at least two of the phytoprostane-induced genes encode a protein that efficiently enhance the metabolisation of phytoprostanes in order to prevent oxidative damages. The effects of phytoprostanes are inter alia mediated by the TGA transcription factors TGA2, TGA5 and TGA6 which result in the expression of detoxification and stress genes.
KW  - Oxylipine
KW  - Jasmonsäure
KW  - Oxophytodiensäure <12->
KW  - Microarray
KW  - Phytoprostane
KW  - TGA-Transkriptionsfaktoren
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-40013
ER  - 
TY  - THES
A1  - Thoma, Ingeborg
T1  - Cyclopentenon-Phytoprostane als Induktoren von pflanzlichen Abwehrreaktionen
T1  - Cyclopentenone phytoprostanes as inducers of plant defense reactions
N2  - Lipidperoxidation kann entweder durch Lipoxygenasen oder reaktive Sauerstoffspezies ausgelöst werden. Enzymatische Oxidation von alpha-Linolensäure kann zur Biosynthese von zyklischen Oxylipinen vom Typ der Jasmonate führen, wohingegen durch freie Radikal-katalysierte Oxidation von alpha-Linolensäure mehrerere Klassen zyklischer Oxylipine, den Phytoprostanen entstehen können. Eine dieser Phytoprostanklassen, Phytoprostane E1 (PPE1), kommen ubiquitär in Pflanzen vor. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass PPE1 in planta in neuartige Cyclopentenon-Phytoprostane, die PPA1 und PPB1 umgewandelt werden. Eine gesteigerte Bildung von PPE1, PPA1 und PPB1 wurde sowohl nach Peroxid-Behandlung von Tabak-Zellkulturen als auch nach Behandlung von Tomatenpflanzen mit dem nekrotrophen Pilz Botrytis cinerea beobachtet. Darüberhinaus besitzen PPA1 und PPB1 biologische Wirkung. Sie stimulierten beispielsweise die Bildung von Phytoalexinen in mehreren Zellkulturen. Diese Daten implizieren, dass die Bildung von Phytoprostanen eine Folge von oxidativem Stress in Pflanzen ist und dass Phytoprostane pflanzliche Abwehrmechanismen induzieren können.
N2  - Lipid peroxidation may be initiated by lipoxygenases or by reactive oxygen species. Enzymatic axidation of alpha-linolenic acid can result in the biosynthesis of cyclic oxylipins of the jasmoate type while free-radical-catalyzed oxidation of alpha-linolenate may yield several classes of cyclic oxylipins termed phytoprostanes in vivo. One of these classes, the E1-phytoprostanes (PPE1) occur ubiquitously in plants. In this work it is shown that PPE1 are converted to novel cyclopentenone A1- and B1-phytoprostanes in planta. Enhanced formation of PPE1, PPA1 and PPB1 is observed after peroxide stress in tobacco cell cultures as well as after infection of tomato plants with a necrotrophic fungus botrytis cinerea. Furthermore PPA and PPB1 display powerfull biological activity, i.e. they stimulate biosynthesis of phytoalexins in several cell cultures. Data collected so far infer that enhanced phytoprostane formation is a general consequence of oxidative stress in plants. Futhermore phytoprostanes are potent inducers of plant defens mechanisms.
KW  - Pflanzen
KW  - Oxidativer Stress
KW  - Abwehrreaktion
KW  - Phytoprostane
KW  - Abwehr
KW  - Fettsäuren
KW  - Jasmonsäure
KW  - ROS
KW  - phytoprostanes
KW  - plant defense
KW  - fatty acid
KW  - jasmonic acid
KW  - ROS
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-6857
ER  -