Planten moeten niet alleen bestand zijn tegen abiotische stress zoals hitte, droogte, koude en UV straling, maar ook tegen velerlei ziekteverwekkers zoals virussen, bacteriën, schimmels, nematoden en insecten. Planten zijn een prooi voor micro-organismen omdat producten van de fotosynthese zoals suikers en aminozuren bijna vrij toegankelijk zijn. Planten bezitten basale afweermechanismen die hen beschermen tegen de meeste potentiële ziekteverwekkers.

Micro-organismen die planten infecteren moeten in staat zijn om deze basale afweermechanismen te onderdrukken voordat zij planten kunnen koloniseren. Tegen ziekteverwekkers die de basale afweermechanismen kunnen onderdrukken hebben planten een immuun respons ontwikkeld waarbij resistentiegenen een belangrijke rol spelen. Resistentiegenen vervullen de rol van moleculaire bewakers die in staat zijn om binnendringers op heterdaad te betrappen en vervolgens te reageren met een overgevoeligheidsreactie.

Vatbaarheid en resistentie

Om zichzelf te beschermen tegen binnendringers bezitten planten passieve barrières zoals de cuticula, celwand en anti-microbiële verbindingen (zoals polyfenolen). Slechts enkele micro-organismen zijn in staat om deze basale afweer te doorbreken en moeten vervolgens vechten tegen een actief immuun systeem dat de plant voor hen opwerpt. Dit immuun systeem is genetisch goed beschreven voor planten en staat bekend als het zogenaamde gen-om-gen systeem. Dit vereist de herkenning van twee eiwitten; een eiwit van de ziekteverwekker dat gecodeerd wordt door een avirulentiegen ( Avr) en een planteneiwit dat gecodeerd wordt door een resistentiegen ( R). De Avr-eiwitten worden door pathogenen (ziekteverwekkers) uitgescheiden.

Herkenning van die eiwitten door de plant leidt tot activering van een arsenaal aan afweerreacties met inbegrip van de overgevoeligheidsreactie, waarbij enkele plantencellen afsterven op de plaats van penetratie waarbij de binnendringende ziekteverwekker wordt tegengehouden.

Hoewel reeds veel R- en Avr-eiwitten geïdentificeerd zijn, weten we nog nauwelijks hoe ze werken. Vragen die nog beantwoord moeten worden zijn: binden R-eiwitten direct aan Avr-eiwitten en wat zijn de primaire functies van Avr-eiwitten voor de ziekteverwekker? Avr-eiwitten zijn er zeker niet alleen om de plant in staat te stellen om de binnendringer te herkennen.

Resistentie eiwitten fungeren als moleculaire bewakers van de plant.

Mackay en medewerkers hebben in een publicatie die enige maanden geleden in Cell is verschenen, antwoorden gegeven op een aantal van bovenstaande vragen. Ze bestudeerden het R-eiwit RPM1 (voor Resistentie tegen Pseudomonas syringae pv. maculicola 1) van de modelplant Arabidopsis thaliana (zandraket) en twee Avr-eiwitten (AvrB en AvrRpm1) van de bacterie P. syringae een pathogeen (ziekteverwekker) van A. thaliana. Zij toonden aan dat het R-eiwit (RPM1) een moleculaire bewaker is die verhindert dat de bacterie een ander eiwit, (RIN4, voor RPM1 INteracting protein 4), dat de basale afweer van planten onderdrukt, manipuleert (zie afbeelding 1).

Enige voorspellingen over de moleculaire interacties tussen R- en Avr-eiwitten waren reeds gedaan op grond van de aminozuurvolgorde en de structuur van beide eiwitten. Avr-eiwitten lijken structureel niet veel op elkaar, maar de meeste R-eiwitten wel. R-eiwitten bevatten domeinen (gebiedjes ) die rijk zijn aan het aminozuur leucine, de zogenaamde leucine-rijke “repeats” (LRR’s). Deze LRR’s zijn betrokken bij eiwit-eiwit interacties, en men heeft lang gedacht dat de LRR’s van R-eiwitten direct binden aan Avr-eiwitten. Tot op heden is dit echter voor slechts enkele Avr-eiwitten aangetoond.

Sommige R-eiwitten zitten in het cytoplasma van de plant, terwijl andere voor het grootste deel aan het celoppervlak zijn gelokaliseerd. Deze lokalisatie is nauw gerelateerd aan de plaats waar de Avr-eiwitten werkzaam zijn en herkend worden. Voor sommige ziekteverwekkers is dat in het cytoplasma van de cel en voor andere is dat juist aan de buitenkant van de cel. Het A. thaliana RPM1 eiwit bevindt zich in het cytoplasma waarbij het verondersteld wordt direct te binden aan de Av-eiwitten, AvrB en AvrRpm1 van de bacterie. Deze bacteriële Avr-eiwitten worden door de bacterie in het cytoplasma van de plant geïnjecteerd door een mechanisme dat op een injectiespuit lijkt (ook wel het type-III secretie-systeem genoemd) .

Maar de werkelijkheid is toch ingewikkelder. Mackay en medewerkers hebben aangetoond dat het RPM1-eiwit en de bacteriële Avr-eiwitten niet direct aan elkaar binden, maar indirect door tussenkomst van het planteneiwit RIN4. De auteurs toonden aan dat RIN4 niet alleen bindt aan de bacteriële Avr-eiwitten, maar dat RIN4 ook bindt aan het R-eiwit, RPM1. Vervolgens ontdekten zij dat RIN4 de expressie blokkeert van genen die betrokken zijn bij basale afweer; dit is voor de plant energetisch voordelig omdat de afweer dus alleen geïnduceerd wordt wanneer een ziekteverwekker binnendringt. Bovendien vonden zij dat beide Avr-eiwitten verantwoordelijk zijn voor de additie (toevoeging) van een fosfaatgroep aan het RIN4- eiwit en zo zeer waarschijnlijk de onderdrukking van de basale afweer door RIN4 nog verhogen (zie afbeelding 1).

De manipulatie van RIN4 alarmeert het moleculaire bewakereiwit RPM1.

Het blijkt dat RIN4 ook essentieel is voor het R-eiwit RPM1 om de overgevoeligheidsreactie te starten en daardoor de bacteriële groei te remmen. De overgevoeligheidsreactie blijkt niet voor te komen wanneer RIN4 afwezig is of wanneer de expressie van RIN4 op een zeer laag pitje staat. Het blijkt dat afname van de RIN4- concentratie ook afname van RPM1-concentratie veroorzaakt en dat hierdoor niet alleen resistentie tegen bacteriën maar ook tegen andere ziekteverwekkers zoals Peronospora parasitica (een valse meeldauwschimmel) geïnduceerd wordt. Dit suggereert dat RIN4 een cruciale functie vervult op het kruispunt van vatbaarheid en resistentie (zie afbeelding 1 en zie ook Figuur 1 in De Wit, 2002).

In vatbare planten waar het resistentiegen RPM1 afwezig is, leidt manipulatie van RIN4 (fosforylering) door Avr-eiwitten tot verdere onderdrukking van de basale afweer zodat de ziekteverwekker de plant kan binnendringen en ziek kan maken. In resistente planten is het resistentiegen RPM1 aanwezig en fungeert het RPM1-eiwit als een bewaker van het RIN4-eiwit (zie boven). Fosforylering van RIN4 wordt onmiddellijk opgemerkt door RPM1 waarna de plant direct een overgevoeligheidsreactie in gang zet die leidt tot resistentie. Dus Mackay en medewerkers hebben aangetoond hoe een R-eiwit en een Avr-eiwit opereren op moleculair en cellulair niveau, daarbij vatbaarheid of resistentie veroorzakend afhankelijk of de bewaker van RIN4, het R-eiwit RPM1, afwezig dan wel aanwezig is.

Avr-eiwitten zijn virulentiefactoren die ziekteverwekkers helpen de plant ziek te maken. Het onderzoek van Mackay en medewerkers heeft dus de vraag beantwoord hoe een R-eiwit de aanwezigheid en de activiteit van een Avr-eiwit opmerkt, en wat Avr-eiwitten van ziekteverwekkers doen. Het was al enige tijd bekend dat sommige schimmel- en bacteriële Avr-eiwitten in vatbare planten als virulentiefactoren zouden kunnen fungeren, m.a.w. dat ze de plant ziek zouden kunnen maken . Mackay en medewerkers hebben aangetoond dat dit zou kunnen gebeuren door de concentratie en activiteit van een remmer van de basale afweer, RIN4, te doen toenemen, waardoor de weerstand van de plant wordt gebroken. De primaire functie van Avr-eiwitten is dus niet om planten in staat te stellen binnendringers te herkennen, maar om planten ziek te maken. Vatbare planten zijn niet in staat en resistente planten zijn wel in staat om de aanwezigheid en activiteit van Avr-eiwitten op te merken.

Dit onderzoek geeft een enorme stimulans aan onderzoek dat elders in de wereld op dit terrein plaats vindt. Hoewel de gen-om-gen interactie een directe binding tussen R-eiwitten en Avr-eiwitten suggereert, blijkt dit eerder uitzondering dan regel te zijn. Dus de mechanismen zoals beschreven door Mackay en medewerkers zullen waarschijnlijk veel meer voorkomen dan aanvankelijk werd verondersteld. Vele onderzoekers zullen nu driftig op zoek gaan naar de zogenaamde virulentietargets (de aangrijpingspunten) van Avr-eiwitten in andere gen-om-gen systemen naar het voorbeeld van RIN4. Het zal interessant zijn om te zien of verschillende ziekteverwekkers op dezelfde virulentietargets aangrijpen. Het is goed voorstelbaar dat dit inderdaad het geval is, omdat onderdrukking van basale afweer voordelig is voor vele verschillende ziekteverwekkers.

Sommige Avr-eiwitten zoals die van het tomatenpathogeen Cladosporium fulvum worden aan de buitenkant van de plantencel herkend waar ook de resistentie-eiwitten zitten . Is de moleculaire bewakerstheorie, zoals beschreven voor RPM1 en RIN4 ook van toepassing op deze ziekteverwekker? Enige ondersteuning voor dit idee komt uit recent onderzoek bij het laboratorium voor Fytopathologie van de Wageningen Universiteit van Mw. Dr. Rianne Luderer aan het Avr-eiwit, Avr2, van C. fulvum. Voor de inductie van de overgevoeligheidsreactie door het Avr2-eiwit is niet alleen het R-eiwit Cf-2, maar ook het planteneiwit Rcr3 nodig. Rcr3 is waarschijnlijk het virulentietarget dat aangegrepen wordt door Avr2 en dat bewaakt wordt door het Cf-2 eiwit. Wellicht gebruiken resistente planten op grote schaal moleculaire bewakers die er voor zorgen dat belangrijke planteneiwitten niet door Avr-eiwitten van ziekteverwekkers gemanipuleerd kunnen worden.

Bronnen:

Dangl, J. L. & Jones, J. D. G. Nature 411, 826–833 (2001). Flor, H. H. Annu. Rev. Phytopathol. 9, 275–296 (1971). Hueck, C. J. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 62, 379–433 (1998). Joosten, M. H. A.J & de Wit, P. J.G. M. Annu. Rev. Phytopathol. 37, 335–367 (1999). Krüger, J. et al. Science 296, 744-747 (2002). Leach, J. E. et al. Annu. Rev. Phytopathol. 39, 187–224 (2001). Luderer, R. et al. Mol. Microbiol. 45, 875-884 (2002). Mackey, D. et al. Cell 108, 743–754 (2002). De Wit, PJ.G.M Nature 416, 801-803 (2002).