Untersuchungen zur Funktion einer Lipoxygenase in der induzierten Resistenz bei Reis

Zabbai, Frauke; Slusarenko, Alan

doi:821

Untersuchungen zur Funktion einer Lipoxygenase in der induzierten Resistenz bei Reis

Zabbai, Frauke (Author)

2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Frauke Zabbai

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

UmfangVI, 2, 191 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Slusarenko, Alan (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-03-05

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-8217
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61997/files/Zabbai_Frauke.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Reis (Genormte SW) ; Induzierte Resistenz (Genormte SW) ; Lipoxygenasen (Genormte SW) ; Genprodukt (Genormte SW) ; Genexpression (Genormte SW) ; Enzymaktivität (Genormte SW) ; Pflanzen (Botanik) (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 580

Kurzfassung
Durch synthetische Funktionsanaloga der Salicylsäure, wie zum Beispiel BTH, kann das Phänomen der systemisch induzierten Resistenz (SAR) in Pflanzen ausgelöst werden. Die Pflanzen erhalten hierbei einen lang anhaltenden Schutz gegenüber einem breiten Spektrum an Pathogenen. Allerdings wird die systemische Ausbreitung des Phänomens durch die systemische Verbreitung des Induktors in der Pflanze bestimmt. Die Mechanismen, welche der chemisch induzierten Resistenz in Getreide zugrunde liegen, sind bis heute nicht vollständig geklärt. Die Behandlung von Monokotyledonen mit chemischen Resistenzinduktoren führt zur Expression von Genen mit teilweise unbekannter Funktion. Einige von ihnen sind spezifisch in der chemisch induzierten Resistenz exprimiert und werden deshalb als Markergene für diese angesehen. In einer molekularbiologischen Analyse der chemisch induzierten Resistenz bei Reis wurde mit Hilfe einer cDNA Bank eine cDNA identifiziert, deren korrespondierende Transkripte nach Applikation chemischer Resistenzinduktoren, aber nicht nach Infektion, akkumulieren. Hierbei handelt es sich um die RCI1-cDNA ("rice chemically induced cDNA1"), deren Genprodukt eine Lipoxygenase darstellt. Es besteht eine enge Korrelation zwischen der Akkumulation der Transkripte von RCI1 und dem Auftreten von Resistenz der Pflanzen nach Behandlung mit Resistenzinduktoren. Eine Beteiligung von RCI1 an der Ausprägung des Phänotyps der induzierten Resistenz in Reispflanzen scheint daher möglich. Bei der biochemischen Charakterisierung von RCI1 wurde zur Vervollständigung bisheriger Ergebnisse deren Produktspezifität in Bezug auf das Substrat Linolensäure bestimmt. Hierbei konnte die Zuordnung von RCI1 in die Klasse der 13-Lipoxygenasen (13-LOX) bestätigt werden. Weiterhin wurden als wahrscheinliche Substrate von RCI1 freie Fettsäuren identifiziert. Durch eine Southernanalyse wurde gezeigt, dass im Genom von Reis unter stringenten Bedingungen nur ein einziges Gen mit einer RCI1-Sonde hybridisiert. Die subzelluläre Lokalisation eines Fusionsproteins aus dem putativen N-terminalen Transitpeptid von RCI1 mit dem grün fluoreszierenden Protein (GFP) als Reporter wurde nach Überexpression in den Chloroplasten nachgewiesen. Im Weiteren wurde die mögliche Funktion von RCI1 in der chemisch induzierten Resistenz bei Reispflanzen untersucht. Ein transienter Assay zur Überexpression von RCI1 in Reisblättern führte zur Akkumulation von PR1-Transkripten in den transformierten Blattbereichen. Die Transformation mit einem Konstrukt von RCI1, welches für ein in der katalytischen Domäne deletiertes Protein codiert, induzierte die PR1-Transkription nicht. Dies zeigt, dass die enzymatische Aktivität von RCI1 für die Induktion der PR1-Transkription in diesem Assay unabdingbar war. Die Transformation mit einem Konstrukt zur Überexpression von RCI1 ohne ein N-terminales chloroplastidäres Transitpeptid konnte ebenfalls keine PR1-Transkription induzieren. Da das korrespondierende rekombinante Protein dieses Konstruktes eine reduzierte Lipoxygenaseaktivität besitzt, konnte nicht zweifelsfrei geklärt werden, ob die Expression von RCI1 am physiologisch korrekten Ort, den Chloroplasten, erfolgen muss, um die PR1-Transkriptakkumulation zu induzieren. Die Akkumulation von PR1-Transkripten konnte auch durch die Applikation von 13(S)-HOT, einem Oxylipin aus dem Lipoxygenasestoffwechsel, induziert werden. Dies könnte ein Hinweis auf die Rolle von RCI1 als Komponente der Signaltransduktion bei der Etablierung der IR in Reis sein.

The phenomenon of systemic acquired resistance (SAR) can be induced by the application of chemical substances like BTH, which is considered as a functional analogue of salicylic acid. Acquired resistance in plants leads to a long-lasting protection against a broad range of pathogens. However, in case of chemically-induced resistance the systemic propagation of protection observed may be due to the systemic spread of the inducing agent itself. The details of how chemically-induced crop plants respond to pathogens is not well understood. Treatment of monocotyledonous plants with chemical resistance inducers leads to expression of several genes some with unknown function. Some of them are referred to as "marker-genes" because of their expression during the onset of the chemically induced resistance response. A cDNA was cloned, whose corresponding transcripts accumulated after treatment of rice plants with chemical resistance inducers but not after infection. This cDNA was referred to as RCI1 ("rice chemically induced cDNA1") and it encodes a lipoxygenase. A strong correlation was demonstrated in rice between the accumulation of RCI1-transcripts and the occurence of resistance after treatment with chemical inducers. RCI1 might orchestrate the onset of this type of resistance. Biochemical analysis was carried out to investigate the positional specifity of the RCI1-lipoxygenase. Finally, the classification of RCI1 as a member of the 13-LOX family was confirmed. Free fatty acids were identificated as the prefered substrate for RCI1. In the genome of rice plants only a single gene seems to hybridise with an RCI1-probe under stringent conditions as shown by Southern analysis. Overexpression of a fusion-protein, consisting of a putative N-terminal transitpeptide of RCI1 and the green fluorescent protein (GFP) as a reporter, was localised subcellularly in chloroplasts. Furthermore, RCI1 was overexpressed in rice leaves to investigate the possible function of RCI1 in chemically-induced resistance of rice. In this transient assay RCI1-overexpression led to the accumulation of PR1-specific transcripts. Transformation with an RCI1-construct encoding for an enzyme with a deletion in the catalytical domain did not show any accumulation of PR1-specific transcripts. Therefore, it was concluded that enzymatic activity of RCI1 is necessary for the induction of PR1-transcription. The transformation of rice leaves with a construct for overexpression of RCI1 without the N-terminal chloroplast targeting signal also failed to induce PR1-transcription. However, the corresponding recombinant protein showed reduced lipoxygenase activity. Therefore, it remains uncertain whether RCI1-expression in the chloroplasts is necessary for the induction of PR1-transcription. In addition 13(S)-HOT, an oxylipin from the lipoxygenase pathway was shown to induce accumulation of PR1-transcripts. These results may indicate that RCI1 is a component of the signaltransduction pathway of the chemically-induced acquired resistance response in rice.

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