Arabidopsis thaliana class II TGA transcription factors provide a molecular link between salicylic acid and ethylene defense signalling

Abstract

Pflanzen haben ein kompliziertes Immunsystem evolviert, um sich gegen Krankheitsausbrüche, die durch unterschiedlichste Pathogene hervorgerufen werden können, zu schützen. Je nach Pathogen-Typ werden bei der pflanzlichen Immunreaktion unterschiedliche Signal-Hormone synthetisiert, die die jeweils geeigneten Abwehrantworten initiieren (Glazebrook, 2005). Salicylsäure (SA) ist bei der Bekämpfung von biotrophen Pathogenen von entscheidender Bedeutung. Essentielle Komponenten des SA-Signalweges sind der redox-regulierte Co-Aktivator NPR1 und die TGA-Transkriptionsfaktoren. Zur Abwehr von nekrotrophen Pathogenen wird sowohl der Jasmonsäure (JA)- als auch der Ethylen (ET)-Signalweg benötigt, deren beider Signale auf dem Promotor des Transkriptionsfaktors ORA59 integriert werden. Der JA-Signalweg ist auch ferner an der Abwehr von Insekten beteiligt. Das Zusammenspiel dieser drei Abwehr-Signalwege ist meist antagonistischer Natur. Diese Arbeit hat die TGA-Transkriptionsfaktoren und deren Interaktionspartner, die CC-Typ Glutaredoxine, als entscheidendes regulatorisches Modul im antagonistischen Zusammenspiel des SA- und JA-Signalweges auf den JA/ET-Signalweg identifiziert. In Kapitel II werden die Klasse II TGA-Transkriptionsfaktoren, die bisher nur bekannt als Aktivatoren des SA-Signalweges waren, erstmals auch als essentielle Aktivatoren des JA/ET-Signalweges beschrieben. Es konnte eine erhöhte Suszeptibilität der tga256-Dreifach-Mutante gegenüber dem nekrotrophen Pilz Botrytis cinerea, einhergehend mit einer reduzierten Expression des JA/ET-Markergens PDF1.2, festgestellt werden. Im Gegensatz dazu führte die Mutation des Transkriptionsfaktors MYC2 zur Hyper-Aktivierung des JA/ET-Signalweges. Die Wiederherstellung der JA/ET-induzierten PDF1.2-Expression in der tga256 myc2-Vierfach-Mutante deutete darauf hin, dass TGA-Faktoren und MYC2 als gegenseitige Suppressoren im JA/ET-Signalweg agieren. Interessanterweise war die tga256 myc2-Mutante gegenüber des antagonistischen SA-Effekts insensitiv, was darauf schließen lässt, dass die TGA-Faktoren im JA/ET-Signalweg einerseits als Aktivatoren fungieren, andererseits aber auch zur Integration des SA-Signals dienen. In Kapitel III konnten wir zeigen, dass die eingeschränkte Abwehrgen-Expression nach ET-Behandlung in der tga256-Mutante eine direkte Konsequenz der reduzierten ORA59- Expression ist. Das ORA59-Gen ist die entscheidende Integrationsstelle des JA/ET-Signalweges (Pre et al., 2008). Chromatin-Immunopräzipitations-Analysen konnten eine ET-induzierte Bindung von TGA-Faktoren am TGACG-Motiv des ORA59 Promotors zeigen. Analysen von transgenen ORA59Pro:GUS-Pflanzen konnten die Wichtigkeit dieser TGA-Binding am ORA59 Promotor für dessen Induzierbarkeit belegen. Des Weiteren konnte in der tga256-Mutante die SA-vermittelte Suszeptibilität gegenüber Botrytis cinerea nicht mehr beobachtet werden. Microarray-Analysen zeigten, dass ein Drittel der ET-induzierten Gene unter positiver Kontrolle der TGA-Faktoren steht. Interessanterweise ist die Induktion von Genen, die negativ durch SA beeinflusst werden, fast ausschließlich von TGA-Faktoren abhängig. Zusammengefasst stützen diese Daten die Idee, dass die positive Funktion der TGA-Faktoren im ET-Signalweg vom SA-Signalweg genutzt wird, um den JA/ET-Signalweg negativ zu regulieren. Kapitel IV befasst sich mit der Frage wie SA die Funktion der TGA-Faktoren beeinflusst. Ein möglicher Kandidat war das bereits beschriebene Glutaredoxin GRX480. GRX480 interagiert mit TGA-Faktoren, seine Expression ist SA-induzierbar und seine Überexpression supprimiert die JA/ET-induzierte Abwehrgen-Expression (Ndamukong et al., 2007). Wir konnten zeigen, dass die GRX480-vermittelte Suppression am ORA59-Promotor integriert wird. Loss-of-function -Beweise sind aufgrund des hohen Maßes an funktioneller Redundanz innerhalb der Glutaredoxin-Familie nicht erbracht worden. Das Suppressions-Potenzial von 17 pflanzenspezifischen CC-Typ Glutaredoxinen wurde daraufhin in einem transienten System getestet. 10 von 17 Glutaredoxinen konnten die ORA59-Promotor-Aktivität supprimieren und nur diese Glutaredoxine wiesen ein C-terminales ALWL-Motiv, welches bereits als essentiell für die Funktion von Glutaredoxinen in der Blütenentwicklung beschrieben wurde (Li et al., 2009). Im fünften Kapitel wurde der Zusammenhang zwischen MYC2 und GRX480 näher beleuchtet. Beide Proteine entfalten eine negative Wirkung auf den JA/ET-Signalweg, die jeweils abhängig von TGA-Faktoren ist. Die JA-induzierte GRX480-Expression erwies sich als MYC2-abhängig, was die Annahme nährte, dass MYC2 seine negative Wirkung durch das GRX480 ausübt. Die Suppression des JA/ET-Signalweges durch MYC2 und GRX480 führte wiederum zur Aufhebung des suppressiven Effekts des JA/ET-Signalweges auf den JA-Signalweg. Die Hyper-Stimulation der MYC2-Expression in Pflanzen, die ektopisch GRX480 exprimieren, kann daher als ein MYC2-getriebener feed-forward loop bezeichnet werden. Abschließend lässt sich zusammenfassen, dass diese Dissertation ein Arbeitsmodell entworfen hat, bei dem die TGA-Faktoren am ORA59-Promotor die zentrale Integrationsstelle für die antagonistischen SA- und JA-Signale in den JA/ET Signalweg darstellen. Zum einen beeinflussen die TGA-Faktoren im synergistischen Zusammenspiel mit EIN3 und einem noch nicht bekannten JA-abhängigen Transkriptionsfaktor die ORA59-Promotor-Aktivität positiv. Zum anderen rekrutieren sie SA- und JA-induzierte Glutaredoxine, um den ORA59-Promotor durch Redox-Modifikation eines noch nicht bekannten Faktors negativ zu regulieren.