Je leest:

Bewakers in de tweede linie verdedigen planten

Bewakers in de tweede linie verdedigen planten

Auteur: | 22 maart 2005

Planten herkennen ziekteverwekkende indringers slechts indirect, toch is hun immuunsysteem net zo effectief als dat van gewervelden.

Dat concluderen fytopathologen van Wageningen Universiteit onder leiding van prof. dr. Pierre de Wit in Science van deze week. Ze werken samen met onderzoekers van het Sainsbury Laboratorium in Norwich.

De fytopathologen bestuderen de wisselwerking tussen de ziekteverwekkende schimmel Cladosporium fulvum en de tomatenplant. De schimmel infecteert de plant en dringt via huidmondjes het blad binnen waar hij groeit in de intercellulaire ruimten. Daar profiteert de parasiet van suikers en aminozuren. De tomatenplant krijgt pas echt problemen als de schimmel sporendragers vormt, die naar buiten groeien en het dichtgaan van de huidmondjes belemmeren. Dat verstoort de fotosynthese en de waterhuishouding.

Essentieel voor de schimmel is het uitscheiden van zogenaamde avirulentie-eiwitten. De plant verdedigt zich namelijk door enzymen zoals proteases, chitinases of glucanases te maken die schimmeleiwitten of zelfs de schimmelcelwand afbreken. Avirulentie-eiwitten van de schimmel blokkeren de werking van deze afbraakenzymen.

Bewakers

Opmerkelijk genoeg baseert de tomatenplant zijn herkenning van de schimmel niet op de voor de hand liggende waarneming van schimmeleiwitten. In plaats daarvan reageert de plant op de remming van zijn eigen proteases door bijvoorbeeld het schimmeleiwit Avr2. De plant kan dat doen omdat de parasiet hoe dan ook deze proteases moet blokkeren. Immers, als hij dat niet doet, dan krijgt hij grote problemen om te overleven.

Daarnaast is het voor de plant voordelig om indirect de parasiet waar te nemen. Het maakt het namelijk moeilijker voor de parasiet om een omweg te verzinnen. Schimmeleiwitten die fysieke interacties aangaan met planteneiwitten zijn makkelijke aangrijpingspunten voor natuurlijke selectie. Een structuurverandering heeft onmiddellijk invloed op de interactie.

Maar voor de schimmel zijn de bewakers van de proteases slechter aan te pakken. Die bewakers hoeven alleen maar in de gaten te houden of het protease van vorm verandert. De bewakers zijn slechter ‘zichtbaar’ voor de schimmel en dus ook lastiger om via natuurlijke selectie te omzeilen.

‘Alles kan op den duur door selectiedruk omzeild worden’, verklaart de Wit. ‘Maar dit systeem van indirecte herkenning maakt het de parasiet een stuk moeilijker. De plant richt zich op de achillespees van de schimmel, de noodzaak om de proteases van de plant uit te schakelen.’

Zodra de tomatenplant opmerkt dat de schimmel binnendringt, schakelt hij een verdedigingssysteem in. De combinatie van het schimmel-eiwit en een tomatenprotease triggert het bewakereiwit Cf-2. Dit eiwit zet de tactiek van de verschroeide aarde in werking (een vorm van geprogrammeerde celdood). De geïnfecteerde plantencellen en naburige cellen sterven af zodat de schimmel niet verder kan oprukken.

Elegant

Indirecte herkenning van ziekteverwekkers door planten is een elegante oplossing die minstens zo effectief is als het immuunsysteem van vertebraten. Die zijn uitgerust met een uitgebreid immuunsysteem met diverse typen immuuncellen. De basis van het systeem is een enorm repertoire aan receptoren dat elke mogelijke ziekteverwekker kan herkennen.

Dankzij de indirecte herkenning, kunnen planten toe met minder receptoren en hebben ze geen gespecialiseerde immuuncellen nodig. De Wit en collega’s bewijzen dat voor tomaten, biologen van de University of California zien hetzelfde mechanisme bij de zandraket. Ze beschrijven hun vinding in hetzelfde nummer van Science.

De Californische biologen richten zich op de bacterie Pseudomonas syringae. Als die de zandraket binnendringt, knipt een bacterieel protease het planteneiwit RIN4 kapot. Het protease raakt pas geactiveerd door het planteneiwit cyclophiline, dat voorkomt in het cytoplasma van plantencellen. Daardoor weet de bacterie zeker dat het protease op het juiste moment actief wordt.

Net als in de tomaat, heeft de zandraket een indirect bewakingssysteem. De zandraket bewaakt het RIN4-eiwit. Zodra RIN4 afgebroken wordt, geeft bewakingseiwit RPS2 een immuunsignaal en start een afweerreactie. Het verschil met de tomaat is dat daar de herkenning buiten de cel plaatsvindt. De zandraket daarentegen reageert pas nadat de bacterie zijn protease via een injectiesysteem in het cytoplasma van de cel heeft gebracht.

De Wit: ’Dit betekent dat het oude gen-om-gen-principe niet langer volstaat. Het idee daarachter is dat voor elk pathogeen-gen de plant een eigen afweer-gen heeft. Hoewel wel veel van dat soort gen-paren voorspeld en gevonden zijn, zou je verwachten dat de bijbehorende eiwitten dan fysiek met elkaar interacteren. Maar dat wordt vrijwel niet waargenomen. Genetisch klopt de gen-om-gen-hypothese nog wel, maar op eiwitniveau niet meer. Daarvoor in de plaats is de bewaker-hypothese gekomen.

Gemakzucht

De Nederlandse tomaat kan zich zeer veilig voelen voor aanvallen van C. fulvum. Voor de Tweede Wereldoorlog was de vlekkenziekte van tomaat een groot probleem, maar sindsdien is de tomaat gevrijwaard van deze ziekte. ‘Als er een nieuwe stam van de schimmel verschijnt, dan hebben we nog meerdere Cf-resistentiegenen op de plank liggen’, vertelt De Wit, die als fytopatholoog probeert tomaten ziektebestendig te maken. ‘In Zuid-Amerika, waar de tomaat oorspronkelijk vandaan komt, leeft de plant al miljoenen jaren samen met allerlei ziekteverwekkers, waaronder C. fulvum. Daar hebben we tientallen resistentiegenen geïsoleerd die we nu hier in de resistentieveredeling exploiteren.’We exploiteren die resistentie niet altijd op de slimste manier, trouwens. In de natuur komen resistentiegenen in clusters voor. Een ziekteverwekker staat dan voor de taak al die resistentiegenen in één keer te moeten overwinnen. Dat is moeilijk. Door hier in Europa die genen één voor één in te bouwen, krijgen ziekteverwekkers de kans snel weer toe te slaan.’ ‘Probleem is dat het heel moeilijk is om het effect van meerdere resistentiegenen tegelijk te meten. Overervingspatronen met meerdere genen leveren al snel tientallen fenotypen, waarvan de genetische achtergrond moeilijk te bestuderen is. Het zijn dus eigenlijk methodologische beperkingen en een zekere gemakzucht die maken dat we ons meestal richten op losse resistentiegenen in plaats van op clusters van resistentiegenen.’

Dit artikel is een publicatie van Bionieuws.
© Bionieuws, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 22 maart 2005

NEMO Kennislink Agenda

NEMO Kennislink vertoont op deze plaats normaal gesproken wetenschappelijke activiteiten uit heel Nederland. Door de maatregelen tegen het nieuwe coronavirus zal daarvan een groot gedeelte worden afgelast. Omdat we geen achterhaalde informatie willen verspreiden, laten we voorlopig geen activiteiten zien.
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.