Oxyprolin-reiche Glykoproteine
Die an die primäre pflanzliche Zellwand gebundenen Proteine sind gewöhnlich Glykoproteine. Sie sind entweder kovalent an die Zellwand gebunden oder verbleiben in der Zellwand in gelöstem Zustand. Einige von ihnen sind Enzyme, andere erfüllen strukturelle Funktionen.
Die meisten Zellwandglykoproteine sind reich an Oxyprolin. Die Oxyprolin-reichen Glykoproteine (ORG) sind lineare Moleküle, die reich an basischen Aminosäuren sind. Ein hoher Gehalt an diesen Aminosäuren verwandelt die Zellwand in eine polykationische Barriere, die negativ geladene Teilchen oder Zellen bindet, die bakteriellen Zellen ähneln.
Alle oxyprolinreichen Glykoproteine besitzen gemeinsame strukturelle Merkmale.
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Hoher Gehalt an Oxyprolin, β-Oxaminsäure, Serin, Threonin und entweder Glycin oder Alanin.
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Gehalt an Arabinose und Galaktose im gleichen Verhältnis.
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Neben Arabinose und Galaktose können auch andere Zucker und Aminosäuren vorhanden sein.
Pflanzenzellen sezernieren mindestens drei Klassen von Glykoproteinen, die eine große Menge an Oxyprolin enthalten: Extensine, Arabinogalaktan-Proteine und Lektine.
Extensin wird als lösliches Protein sezerniert, das über Isodityrosin-Brücken schwach an die Zellwände gebunden ist; schließlich wird eine unlösliche Zellkomponente gebildet. Die lösliche Form des Extensins besteht zu zwei Dritteln aus Kohlenhydraten und zu einem Drittel aus Proteinen. Das Molekulargewicht von Karotten-Extensin beträgt 86 kDa, wobei bei der Deglykosylierung etwa 36 kDa freigesetzt werden. Die Vernetzung von Extensin mit den Zellwandkomponenten scheint unter Beteiligung einer spezifischen Peroxidase zu erfolgen.
Extensin hat eine ungewöhnliche Aminosäurezusammensetzung: 41 Mol-% Oxyprolin, 12 Mol-% Serin, 10 Mol-% Lysin, 8 Mol-% Tyrosin und 0-11 Mol-% Histidin. Das Fehlen von sauren Aminosäuren und der hohe Gehalt an Lysin und Histidin bestimmen den basischen isoelektrischen Punkt innerhalb von 10-12. Zellwandextensin kann durch Prolylhydroxylase und Oxyprolyl-Arabinosyltransferase in ein lösliches Glykoprotein umgewandelt werden. Beide Enzyme sind im Golgi-Apparat lokalisiert. Tri- und Tetrarabinosid-Seitenketten sind meist mit Oxyprolin-Resten verbunden.
Im Gegensatz zu Extensin sind Arabinogalactan-Proteine lösliche Oxyprolin-haltige Glykoproteine, die sowohl im Zytoplasma als auch extrazellulär lokalisiert sind. Die Aminosäuren der Arabinogalaktan-Proteine sind hauptsächlich Oxyprolin, Serin, Alanin und Glycin. Arabinose- und Arabinogalaktanketten mit hohem Polymerisationsgrad sowie der verzweigte Kohlenhydratkern des α-D-Galac-Topyranosyl-Rests sind mit Oxyprolin verbunden. Zusätzlich sind Arabinosid- und Glycuronsäuren an den Kern gebunden. Die Hydroxylierung von Prolin und der Transport von Arabinosid zu Oxyprolin scheinen auf die gleiche Weise abzulaufen wie bei Extensin.
Die dritte ORG-Klasse sind schließlich die Lektine der Pflanzen der Solanaceae-Familie, die sowohl intrazellulär als auch extrazellulär lokalisiert sind. Diese Proteine enthalten 50-60% Oxyprolin, Serin, Glycin und Cystein, die die dominierenden Aminosäuren sind. Die Arabinosereste sind an Oxyprolin und die Galaktosylreste an Serin gebunden. ORGs aus Kartoffeln agglutinieren avirulente, aber nicht virulente Stämme des bakteriellen Welkeerregers Ralstonia solanacearum. Sie wurden „Agglutinine“ genannt, um sie von strukturell ähnlichen Lektinen zu unterscheiden, die nur eine geringe hämagglutinierende Aktivität besitzen. Agglutinine sind lösliche Verbindungen der Zellwände, die bis zu 61 % Kohlenhydrate enthalten. Der Kohlenhydratanteil besteht aus Arabinose und einer geringen Menge an Galaktose, Glukose und Glucosamin. Das Molekulargewicht beträgt 91 kDa und nimmt bei der Deglykosilierung auf 56 kDa ab. Bisher ist es schwierig zu beurteilen, ob Agglutinine eine Rolle in der Beziehung zwischen Pflanze und Parasit spielen.
Es gibt einige Fakten, die auf eine schützende Rolle von ORGs bei der Pflanzenresistenz hinweisen.
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Es gibt eine klare Korrelation zwischen der ORG-Akkumulation in den Zellwänden der Melone und der Resistenz der Melone gegen Gloeosporium lagenarium. Die Analyse mehrerer Pflanzen-Pathogen-Systeme hat gezeigt, dass die Anreicherung von ORG in den Zellwänden bei einer Reihe von Pflanzenarten nach der Inokulation mit Pilzen, Bakterien und Viren auftritt.
(2)
Der Gehalt an Oxyprolin (ORG-Marker) in den Zellwänden steigt bei der Inokulation von resistenten Sorten viel schneller als bei anfälligen Sorten.
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Die künstliche Erhöhung oder im Gegenteil die Unterdrückung des ORG-Gehalts führt zu einer entsprechenden Induktion oder Hemmung der Resistenz.
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Die Behandlung von Pflanzengeweben mit mikrobiellen endogenen Elicitoren induziert die ORG-Bildung in den Geweben.
Die Mechanismen der ORG-Biosynthese sind noch nicht vollständig geklärt. Es wird angenommen, dass Ethylen an diesem Prozess beteiligt ist, da die Elicitoren seine Bildung induzieren. Außerdem kann Ethylen an sich die ORG-Bildung induzieren. In den Zellwänden der Melone steigt der ORG-Gehalt als Reaktion auf die Inokulation mit Gloeosporium lagenarium um ein Mehrfaches an, was mit einem starken Anstieg der Ethylenproduktion in der Pflanze einhergeht. Die Elicitoren dieses Pilzes oder der Melonenzellwände verursachten eine ähnliche Reaktion. Die Behandlung der Melonenpflänzchen mit Ethylen vor der Inokulation erhöhte sowohl den ORG-Gehalt als auch die Resistenz, während die Hemmung der ORGs ihre Besiedlung durch den Erreger förderte.
Die spezifische Hemmung der Ethylenbiosynthese in inokulierten oder mit Elicitoren behandelten Pflanzengeweben unterdrückte die Ablagerung von Oxyprolin in den Wänden. Der Ethylenvorläufer Aminocyclopropancarbonsäure induzierte ORGs in den Geweben der unbehandelten Pflanzen und stellte auch die ORG-Bildung in den mit dem Inhibitor behandelten Geweben wieder her.
Der Elicitor von Phytophthora megasperma induzierte die Synthese von Ethylen und ORGs in Sojahypokotylen. Ein erhöhter Gehalt an Oxyprolin trat auch bei inkompatibler, aber nicht kompatibler Interaktion der Gurke mit Cladosporium cucumerinum auf. Im Gegensatz dazu stieg die Oxyprolin-Konzentration in den Weizenzellwänden bei der Inokulation mit einer kompatiblen Linie von Erysiphe graminis an.
Die Anhäufung von ORGs und ihrer mRNA in infizierten Geweben und Zellkulturen trat bei den von Colletotrichum lindemutianum befallenen Bohnen auf, begleitet von einer vorübergehenden Aktivierung der Prolylhydroxylase und der Arabinosyltransferase. Arabinosyltransferase ist mit dem Golgi-Apparat verbunden, während Prolylhydroxylase im endoplasmatischen Retikulum konzentriert ist.
Eine Erhöhung des ORG-Gehalts in den Zellwänden infizierter Gewebe verändert deren Eigenschaften stark. Als Polymere verstärken ORGs die Zelloberfläche, und als Polykationen verändern sie die Oberflächenladung.
ORG-Gene von Karotten, Tomaten und Bohnen wurden kloniert und sequenziert. In allen drei Fällen wiesen die Gene eine beträchtliche Homologie zueinander auf und enthielten eine charakteristische sich wiederholende Sequenz, die für ein Serin-Vier-Prolin-Pentapeptid kodiert. Die ORG-Bildung wird von einer Familie von Genen kodiert, die in verletzten oder infizierten Pflanzen unterschiedlich reguliert werden.
Die Menge und die Geschwindigkeit der mRNA-Akkumulation für ORGs in den Hypokotylen von Bohnen, die mit einer inkompatiblen Rasse von C. lindemuthianum geimpft wurden, waren erheblich höher als bei einer kompatiblen Interaktion. Es wurde auch gezeigt, dass mRNA für ORGs auch in nicht infiziertem Gewebe abseits der Inokulationsstelle akkumuliert wurde, was auf einen systemischen Charakter ihrer Bildung hinweist.
Die pflanzliche Zellwand enthält Glykoproteine, von denen viele eine Fermentationsaktivität besitzen. Einige von ihnen, insbesondere Peroxidasen und Glycosylhydrolasen, können eine wichtige Rolle bei der pflanzlichen Abwehrreaktion gegen Phytopathogene spielen. Die spezifische Peroxidase ist beispielsweise an der Ligninbiosynthese und der Bildung von Isodityrosin-Brücken des Extensins beteiligt, ebenso wie an den Brücken, an denen die Zellwände durch Ferulasäure gebunden werden. Glykosylhydrolasen, die ein häufiger Bestandteil der pflanzlichen Zellwände sind, können für die Freisetzung von Oligosaccharinen aus den Zellwänden von Pflanzen oder Pilzen verantwortlich sein.