Hydroksiproliinirikkaat glykoproteiinit

Kasvien primääriseen soluseinään sitoutuneet proteiinit ovat yleensä glykoproteiineja. Ne ovat joko kovalenttisesti sitoutuneet soluseinään tai jäävät soluseinään liuenneena. Osa niistä on entsyymejä, osa suorittaa rakenteellisia tehtäviä.

Useimmat soluseinän glykoproteiinit sisältävät runsaasti oksiproliinia. Oksiproliinirikkaat glykoproteiinit (ORG) ovat lineaarisia molekyylejä, joissa on runsaasti emäksisiä aminohappoja. Suuri määrä näitä aminohappoja muuttaa soluseinän polykationiseksi esteeksi, joka sitoo negatiivisesti varautuneita hiukkasia tai soluja, jotka muistuttavat bakteerisoluja.

Kasvisolut erittävät ainakin kolmea luokkaa glykoproteiineja, jotka sisältävät runsaasti oksiproliinia: ekstensiinejä, arabinogalaktaaniproteiineja ja lektiinejä.

Ekstensiini erittyy liukoisina valkuaisaineina, jotka sitoutuvat heikosti soluseiniin isotityrosiinisiltojen välityksellä; lopulta syntyy liukenematon solun osa. Eksentsiinin liukoisesta muodosta kaksi kolmasosaa on hiilihydraatteja ja yksi kolmasosa proteiineja. Porkkanan ekstensiinin molekyylipaino on 86 kDa, ja noin 36 kDa vapautuu deglykosylaatiossa. Eksentsiinin ristisilloittuminen soluseinän komponenttien kanssa näyttää rakentuvan spesifisen peroksidaasin osallistuessa.

Eksentsiinillä on epätavallinen aminohappokoostumus: 41 mol.% oksyproliinia, 12 mol.% seriiniä, 10 mol.% lysiiniä, 8 mol.% tyrosiinia ja 0-11 mol.% histidiiniä. Happamien aminohappojen puuttuminen ja suuri lysiini- ja histidiinipitoisuus määrittävät emäksisen isoelektrisen pisteen 10-12:een. Soluseinän ekstensiini voidaan muuntaa liukoiseksi glykoproteiiniksi prolyylihydroksylaasin ja oksiprolyyliarabinosyylitransferaasin avulla. Molemmat entsyymit ovat lokalisoituneet Golgin laitteeseen. Tri- ja tetrarabinosidin sivuketjut ovat enimmäkseen kytkeytyneet oksiproliinijäämiin.

Ekstensiinistä poiketen arabinogalaktaaniproteiinit ovat liukoisia oksiproliinin sisältämiä glykoproteiineja, jotka ovat lokalisoituneet sekä sytoplasmaan että solunulkoisesti. Arabinogalaktaaniproteiinien aminohapot ovat enimmäkseen oksiproliinia, seriiniä, alaniinia ja glysiiniä. Arabinoosi- ja arabinogalaktaaniketjut, joilla on korkea polymerisaatioaste, sekä α-D-galak-topyranosyylijäännöksen haaroittunut hiilihydraattiydin ovat yhteydessä oksiproliiniin. Ytimeen on lisäksi kiinnittynyt arabinosidi- ja glykuronihappoja. Proliinin hydroksylaatio ja arabinosidin kulkeutuminen oksiproliiniksi näyttävät etenevän samalla tavalla kuin ekstensiinissä.

Ja lopuksi kolmantena ORG-luokkana ovat Solanaceae-suvun kasvien lektiinit, jotka paikallistuvat sekä solunsisäisesti että solunulkoisesti. Nämä proteiinit sisältävät 50-60 % oksiproliinia, seriiniä, glysiiniä ja kysteiiniä, jotka ovat hallitsevia aminohappoja. Arabinoosijäämät ovat sitoutuneet oksiproliiniin ja galaktosyylijäämät seriiniin. Perunasta peräisin olevat ORG:t agglutinoivat Ralstonia solanacearum -bakteerikäävän patogeenin avirulentteja mutta eivät virulentteja kantoja. Ne nimettiin ”agglutiniineiksi”, jotta ne voitaisiin erottaa rakenteellisesti samankaltaisista lektiineistä, joilla on vain vähäinen hemagglutinoiva aktiivisuus. Agglutiniinit ovat soluseinien liukoisia yhdisteitä, jotka sisältävät jopa 61 prosenttia hiilihydraatteja. Hiilihydraattiosuus koostuu arabinoosista ja pienestä määrästä galaktoosia, glukoosia ja glukosamiinia. Molekyylipaino on 91 kDa, ja se pienenee deglykosiloitaessa 56 kDa:iin. Toistaiseksi on vaikea arvioida, onko agglutiniineilla mitään merkitystä kasvi-parasiittisuhteessa.

ORG:n biosynteesin mekanismit eivät ole vielä täysin selvillä. Oletetaan, että etyleeni osallistuu tähän prosessiin, koska elisitorit indusoivat sen muodostumista. Lisäksi etyleeni itsessään voi indusoida ORG:n muodostumista. Melonin soluseinissä ORG-pitoisuus kasvaa moninkertaiseksi vastauksena Gloeosporium lagenarium -bakteerin inokulaatioon, johon liittyy etyleenin tuotannon voimakas kasvu kasvissa. Tästä sienestä tai melonin soluseinistä peräisin olevat elisiittorit aiheuttivat samanlaisen vasteen. Melonin taimien käsittely etyleenillä ennen inokulaatiota lisäsi sekä ORG-pitoisuutta että vastustuskykyä, kun taas ORG:iden estäminen edisti niiden kolonisoitumista patogeenin toimesta.

Etyleenin biosynteesin spesifinen estäminen inokuloiduissa tai elisitoreilla käsitellyissä kasvin kudoksissa tukahdutti oksyproliinin laskeutumista soluseinämiin. Etyleenin esiaste aminosyklopropaanikarboksyylihappo indusoi ORG:tä käsittelemättömien kasvien kudoksissa ja palautti myös ORG:n muodostumisen inhibiittorilla käsitellyissä kudoksissa.

Phytophthora megasperman elisitori indusoi etyleenin ja ORG:n synteesiä soijapavun hypokotyyleissä. Lisääntynyttä oksiproliinipitoisuutta esiintyi myös kurkun epäyhteensopivassa mutta ei yhteensopivassa vuorovaikutuksessa Cladosporium cucumerinum -kasvintuhoojan kanssa. Päinvastoin, vehnän soluseinien oksyproliinipitoisuus kasvoi inokulaation yhteydessä yhteensopivalla Erysiphe graminis -lajin linjalla.

ORG:ien ja niiden mRNA:n kertyminen infektoituneisiin kudoksiin ja soluviljelmiin tapahtui Colletotrichum lindemutianum -kasvintuhoojan saastuttamissa pavuissa, ja siihen liittyi prolyylihydroksylaasin ja arabinosyylitransferaasin tilapäinen aktivoituminen. Arabinosyylitransferaasi on yhteydessä Golgin laitteistoon, kun taas prolyylihydroksylaasi on keskittynyt endoplasmiseen retikulumiin.

ORG:n määrän lisääntyminen infektoituneiden kudosten soluseinissä muuttaa voimakkaasti niiden ominaisuuksia. Polymeereinä ORG:t vahvistavat solun pintaa, ja polykationeina ne muuttavat pinnan varausta.

Porkkanan, tomaatin ja papujen ORG-geenit on kloonattu ja sekvensoitu. Kaikissa kolmessa tapauksessa geeneillä oli huomattavaa homologiaa keskenään ja ne sisälsivät tyypillisen toistuvan sekvenssin, joka koodaa seriini-neljä proliini-pentapeptidiä. ORG:n muodostumista koodaa geeniperhe, jota säädellään eri tavoin haavoittuneissa tai infektoituneissa kasveissa.

ORG:n mRNA:n määrän ja kertymisnopeuden todettiin olevan huomattavasti suurempi kuin yhteensopivassa vuorovaikutuksessa C. lindemuthianum -kasvintuhoojan epäyhteensopivalla rodulla inokuloidun pavun hypokotyyleissä. Lisäksi osoitettiin, että ORG:iden mRNA:ta kertyi myös saastumattomaan kudokseen inokulaatiokohdan ulkopuolella, mikä viittasi niiden muodostumisen systeemiseen luonteeseen.

Kasvin soluseinässä on siis glykoproteiineja, joista monilla on käymisaktiivisuutta. Joillakin niistä, erityisesti peroksidaaseilla ja glykosyylihydrolaaseilla, voi olla tärkeä rooli kasvien puolustusreaktioissa kasvipatogeeneja vastaan. Esimerkiksi spesifinen peroksidaasi osallistuu ligniinin biosynteesiin ja ekstensiinin isodityrosiinisiltojen muodostamiseen sekä siltoihin, joissa soluseinät ovat sidoksissa ferulihappoon. Glykosyylihydrolaasit, kasvien soluseinien yleisenä komponenttina, voivat olla vastuussa oligosakkariinien vapautumisesta kasvien tai sienten soluseinistä.