Pflanzenwurzeln sind ein Wunder. Während die Wurzeln Wasser und Nährstoffe aus dem Boden aufnehmen, sind sie allen möglichen Mikroben im Boden ausgesetzt. Einige Mikroben sind gut und fördern das Pflanzenwachstum, während andere die Wurzeln angreifen und Krankheiten verursachen. Zur Abwehr eines Pflanzenpathogenangriffs können Pflanzen mehrere Abwehrmechanismen haben. Eine davon ist die Veränderung der Wurzelzellwände, um eine „Barrikade“ zu schaffen, die das Eindringen des Krankheitserregers verhindert.
Dr. Romain Castilleux von der Schwedischen Universität für Agrarwissenschaften und Kollegen von vier französischen Instituten berichteten 2019, dass Extensine, eine Gruppe von Zellwandproteinen, für die Bereitstellung der Modellpflanze wichtig sind, Arabidopsis thaliana gegen den Pflanzenpathogen, Phytophthora parasitica. Im darauffolgenden Jahr wurden Dr Li Tan und Andreas Mort kommentierte die von Castilleux und Kollegen verwendeten Forschungsmethoden zur Messung der Extensinspiegel in den Pflanzenwurzeln. Als Reaktion darauf passten Castilleux und seine Kollegen ihren Ansatz an und jetzt berichten über neue Ergebnisse, die ihre Forschungsergebnisse über Extensine weiterhin stützen. Diese Geschichte über die Erforschung der unbekannten Mechanismen hinter dem Aufbau von Zellwänden und die Diskussion von Forschungsmethoden durch Wissenschaftler zeigt, wie Forschung funktioniert.
Während sich fast jeder an die Abbildung der Pflanzenzelle im Biologieunterricht erinnern kann, waren Pflanzenzellwände normalerweise nur eine Linie, die das „aufregende“ Zytoplasma, Mitochondrium, Ribosom und so weiter umgab. Allerdings stellen pflanzliche Zellwände dar eines der komplexesten strukturellen Netzwerke in der Natur. Das nanoskalige Netzwerk besteht hauptsächlich aus Polysaccharidpolymeren wie Zellulose, Hemizellulose und Pektin, enthält aber oft Glykoproteine und Lignin. Extensine sind Zellwand-Glykoproteine, die an der Embryonalentwicklung, dem Wurzelhaarwachstum und dem Aufbau und der Struktur der Zellwand beteiligt sind.
2018 Castilleux und Kollegen untersuchten die Rolle von Zellwand-Extensinen bei Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroben und stellten die Hypothese auf, dass Extensine als Reaktion auf die pathogene Infektion vernetzen würden, um den Krankheitseintritt zu begrenzen. Die Forscher betonten das Potenzial der Verwendung von Antikörpern zum Nachweis von Extensin Epitope (bestimmte Teile des Antigens, an die ein Antikörper bindet). Anschließend kann die Anhäufung von Extensinen mittels konfokaler Lasermikroskopie auf geschnittenen Wurzelabschnitten sichtbar gemacht werden. Es wurde vorgeschlagen, dass die Produktion von Extensinen auf Arabinosylierung beruht (Addition von Arabinose, ein Monosaccharid mit fünf Kohlenstoffatomen und einer funktionellen Aldehydgruppe), das die Bildung von Vernetzungen ermöglicht, die für den Aufbau und die Organisation der Zellwand wesentlich sind. Am Ende der Übersicht schlugen Castilleux und Kollegen vor, dass die Arabinosylierung von Extensinen für die pflanzliche Immunantwort gegen bodenbürtige Krankheitserreger von entscheidender Bedeutung ist. Dies führte zu ihrer Studie in 2019, testet diese Hypothese.
Castilleux und Kollegen infiziert Arabidopsis Mutanten die so verändert wurden, dass sie eine normale oder keine Immunantwort aufweisen und unterschiedliche Extensinspiegel aufweisen Glykosylierung (Polysaccharidanlagerung an Extensinprotein) mit dem bodenbürtigen Pathogen, Phytophthora parasitica um zu testen, ob Extensine bei der Immunantwort wichtig sind. Die Forscher verwendeten Immunfluoreszenzmikroskopie im Alter von 9 Tagen A. thaliana Wurzeln unter Verwendung von Anti-Extensin-spezifischen Antikörpern.
„Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die Glykosylierung von Extensinen und insbesondere ihre Arabinosylierung für den Zellwandumbau während der Immunantwort von entscheidender Bedeutung ist A. thaliana Wurzelzellen“, Castilleux und Kollegen schlossen ihre Studie im Jahr 2020 ab.
Als Reaktion auf diese Studie Tan und Mort schrieben ein Kommentar, der einige Bedenken hinsichtlich der Methoden und Schlussfolgerungen der Studie zum Ausdruck bringt, insbesondere ob die verwendeten Epitope wirklich spezifisch für Extensin-Arabinoside sind.
„Obwohl wir überzeugt sein können, dass Extensine sowohl vor als auch nach der Erhebung stark in den Wurzelspitzen exprimiert wurden, machen es die komplizierten Antikörpererkennungsmuster und Musteränderungen für jede Mutante nach der Erhebung schwierig, die Daten zu erklären, wodurch die tatsächlichen Beweise geschwächt werden“, Tan und Mort schrieb.
Sie fügten hinzu, dass es sehr interessant wäre, experimentell zu testen, ob es als Reaktion auf einen Mikrobenangriff ein höheres Maß an intermolekularer Vernetzung von Extensin gibt.
Als Antwort lieferten Castilleux und Kollegen Beweise für die Vernetzungsreaktion durch die Verwendung von new A. thaliana Mutanten (PEROXIDASEN 33 und 34), die die Vernetzung von Extensinen katalysieren könnten. Auf der Mutante, die keine Immunantwort aufwies, konnten keine Extensine sichtbar gemacht werden, aber in der quervernetzenden Mutante konnten große Mengen an Extensin gesehen werden.
„Das deutet darauf hin, dass die Mutation der Gene kodiert PEROXIDASEN 33 und 34 beeinflusst den Nachweis des Extensin-LM1-Epitops (und möglicherweise die Bildung von Extensin-Quervernetzungen) als Reaktion auf [Auslösung der Immunantwort]“, schrieben Castilleux und Kollegen.
Während es viele technische Herausforderungen gibt, herauszufinden, welcher Mechanismus (Arabinosylierung, Glykosylierung, Quervernetzung) für die Extensinproduktion/den Einbau in die Zellwand entscheidend ist, hat Castilleux das Potenzial der Verwendung mutierter Pflanzen und der Immunmarkierung aufgezeigt.
„Zusammenfassend scheinen Extensine eine wichtige Rolle bei der Wurzelabwehr zu spielen, wobei die Arabinosylierung für ihre korrekte Funktion unerlässlich ist, wahrscheinlich durch eine kontrollierte Vernetzung, die durch spezifische Zellwandperoxidasen katalysiert wird.“
