Oxyproline-rijke glycoproteïnen
De eiwitten die aan de primaire plantencelwand gebonden zijn, zijn meestal glycoproteïnen. Zij zijn covalent aan de celwand gebonden of blijven in opgeloste toestand in de celwand aanwezig. Sommige ervan zijn enzymen, andere vervullen structurele functies.
De meeste celwandglycoproteïnen zijn rijk aan oxyproline. De oxyproline-rijke glycoproteïnen (ORG) zijn lineaire moleculen die rijk zijn aan basische aminozuren. Een hoog gehalte aan deze aminozuren verandert de celwand in een polykationische barrière die negatief geladen deeltjes of cellen bindt die lijken op bacteriële cellen.
Alle oxyproline-rijke glycoproteïnen bezitten gemeenschappelijke structurele kenmerken.
(1)
Hoog gehalte aan oxyproline, β-oxyaminezuur serine, threonine, en hetzij glycine of alanine.
(2)
Gehalte aan arabinose en galactose in gelijke verhouding.
(3)
Naast arabinose en galactose kunnen ook andere suikers en aminozuren aanwezig zijn.
Plantencellen scheiden ten minste drie klassen glycoproteïnen af die een grote hoeveelheid oxyproline bevatten: extensines, arabinogalactaan-eiwitten, en lectines.
Extensine wordt afgescheiden als een oplosbaar eiwit, zwak gebonden aan de celwanden via isodityrosine-bruggen; uiteindelijk wordt een onoplosbaar celbestanddeel geproduceerd. De oplosbare vorm van extensine bestaat voor tweederde uit koolhydraten, en voor eenderde uit eiwitten. Het molecuulgewicht van wortelextensine is 86 kDa, en ongeveer 36 kDa komt vrij bij deglycosylering. Extensine cross-linking met de celwandcomponenten lijkt tot stand te komen met betrokkenheid van een specifiek peroxidase.
Extensine heeft een ongewone aminozuursamenstelling: 41 mol.% oxyproline, 12 mol.% serine, 10 mol.% lysine, 8 mol.% tyrosine, en 0-11 mol.% histidine. Het ontbreken van zure aminozuren en het grote gehalte aan lysine en histidine bepalen het basische isoëlektrische punt binnen 10-12. Celwand extensine kan worden omgezet in een oplosbaar glycoproteïne met behulp van prolyl hydroxylase en oxyprolyl arabinosyl transferase. Beide enzymen zijn gelokaliseerd in het Golgi-apparaat. Tri- en tetrarabinoside zijketens zijn meestal verbonden met oxyproline residuen.
In tegenstelling tot extensine zijn arabinogalactaan-eiwitten oplosbare oxyproline-bevattende glycoproteïnen die zowel in het cytoplasma als extracellulair gelokaliseerd zijn. De aminozuren van arabinogalactaan-eiwitten zijn voornamelijk oxyproline, serine, alanine en glycine. Arabinose- en arabinogalactaanketens met een hoge polymerisatiegraad, evenals de vertakte koolhydraatkern van α-D-galac-topyranosylresidu zijn verbonden met oxyproline. Arabinoside- en glycuronzuren zijn bovendien aan de kern verbonden. Hydroxylering van proline en transport van arabinoside naar oxyproline lijken op dezelfde manier te verlopen als bij extensine.
En tenslotte, de derde ORG klasse zijn de lectines van de planten van de Solanaceae familie die zowel intracellulair als extracellulair gelokaliseerd zijn. Deze eiwitten bevatten 50-60% oxyproline, serine, glycine en cysteïne die de dominante aminozuren zijn. De arabinoseresiduen zijn gebonden aan oxyproline, en de galactosylresiduen aan serine. ORG’s van aardappel agglutineren avirulente maar niet virulente stammen van de verwelkingsziekteverwekker Ralstonia solanacearum. Zij werden “agglutininen” genoemd om ze te onderscheiden van structureel gelijkaardige lectinen die slechts een geringe hemagglutinerende activiteit bezitten. Agglutininen zijn oplosbare verbindingen van celwanden die tot 61% koolhydraten bevatten. Het koolhydraatgedeelte bestaat uit arabinose en een kleine hoeveelheid galactose, glucose en glucosamine. Het molecuulgewicht is 91 kDa, en het daalt bij deglycosilatie tot 56 kDa. Tot dusver is het moeilijk te beoordelen of agglutininen een rol spelen in de relatie plant-parasiet.
Er zijn enkele feiten die een beschermende rol van ORG’s in de weerstand van planten aantonen.
(1)
Er is een duidelijke correlatie tussen de accumulatie van ORG’s in celwanden van de meloen en de resistentie van de meloen tegen Gloeosporium lagenarium. Analyse van verschillende plant-pathogeensystemen toonde aan dat celwandverrijking met ORG optreedt in een aantal plantensoorten bij inoculatie met schimmels, bacteriën en virussen.
(2)
Het gehalte aan oxyproline (ORG-marker) in celwanden neemt veel sneller toe bij inoculatie van resistente dan van vatbare cultivars.
(3)
Kunstmatige verhoging of, integendeel, onderdrukking van het ORG-niveau leidt tot respectieve inductie of remming van resistentie.
(4)
Behandeling van plantenweefsels met microbiële endogene elicitors induceerde ORG-vorming in de weefsels.
De mechanismen van ORG-biosynthese zijn nog niet volledig duidelijk. Aangenomen wordt dat ethyleen bij dit proces betrokken is, aangezien de elicitors de vorming ervan induceren. Bovendien kan ethyleen op zich de vorming van ORG induceren. In de celwanden van de meloen neemt het ORG-gehalte verscheidene malen toe als reactie op inoculatie met Gloeosporium lagenarium, wat gepaard gaat met een sterke stijging van de ethyleenproductie in de plant. De elicitors van deze schimmel of van de celwanden van de meloen veroorzaakten een soortgelijke reactie. Behandeling van de meloenplantjes met ethyleen vóór de inoculatie verhoogde zowel het ORG-gehalte als de resistentie, terwijl remming van ORG’s de kolonisatie door de ziekteverwekker bevorderde.
Specifieke remming van de ethyleenbiosynthese in geïnoculeerd of met elicitor behandeld plantenweefsel onderdrukte de oxyproline-afzetting in de wanden. De ethyleenprecursor aminocyclopropaancarbonzuur induceerde ORGs in de weefsels van de onbehandelde planten, en herstelde ook de ORG-vorming in de weefsels behandeld met de inhibitor.
De elicitor van Phytophthora megasperma induceerde de synthese van ethyleen en ORGs in hypocotylen van sojabonen. Een verhoogd gehalte aan oxyproline trad ook op bij incompatibele maar niet compatibele interactie van de komkommer met Cladosporium cucumerinum. Integendeel, de oxyprolineconcentratie in de tarwecelwanden nam toe bij inoculatie met een compatibele lijn van Erysiphe graminis.
Accumulatie van ORG’s en hun mRNA in geïnfecteerde weefsels en celcultuur trad op bij de door Colletotrichum lindemutianum aangetaste bonen, vergezeld van tijdelijke activering van prolylhydroxylase en arabinosyltransferase. Arabinosyltransferase is verbonden met het Golgi-apparaat, terwijl prolylhydroxylase geconcentreerd is in het endoplasmatisch reticulum.
Een toename van het ORG-niveau in de celwanden van geïnfecteerde weefsels verandert hun eigenschappen sterk. Als polymeren versterken ORG’s het celoppervlak, en als polykationen veranderen ze de oppervlaktelading.
ORG-genen van wortel, tomaat en boon zijn gekloond en gesequenced. In alle drie gevallen vertoonden de genen een aanzienlijke homologie ten opzichte van elkaar en bevatten zij een karakteristieke repeterende sequentie die codeert voor een serine-vier proline pentapeptide. ORG-vorming wordt gecodeerd door een familie van genen die op verschillende wijze worden gereguleerd in gewonde of geïnfecteerde planten.
De hoeveelheid en de snelheid van mRNA-accumulatie voor ORG’s in de hypocotylen van bonen, geïnoculeerd met een incompatibel ras van C. lindemuthianum, bleken aanzienlijk hoger te zijn dan in een compatibele interactie. Er werd ook aangetoond dat mRNA voor ORG’s ook geaccumuleerd werd in niet-geïnfecteerd weefsel buiten de inoculatieplaats, wat indicatief was voor een systemisch karakter van hun vorming.
De plantencelwand bevat glycoproteïnen, waarvan er vele een fermentatieactiviteit bezitten. Sommige daarvan, vooral peroxidases en glycosylhydrolases, kunnen een belangrijke rol spelen in de afweerreacties van planten tegen fytopathogenen. Zo is het specifieke peroxidase betrokken bij de biosynthese van lignine en de vorming van isodityrosinebruggen van extensine, alsook bij de bruggen waar celwanden door ferulinezuur worden gebonden. Glycosylhydrolases, een veel voorkomend bestanddeel van plantencelwanden, kunnen verantwoordelijk zijn voor het vrijkomen van oligosaccharines uit de celwanden van planten of schimmels.