Die Evolution früher Abwehrsignale des Tabaks nach Insektenbefall
Forschungsbericht (importiert) 2016 - Max-Planck-Institut für chemische Ökologie
Insektenfraß löst in Pflanzen frühe Abwehrsignale aus, die ein Netzwerk von Verteidigungsmechanismen aktivieren, um die Pflanze vor weiterem Befall zu schützen. Allerdings können diese die Überlebensfähigkeit von Pflanzen beeinträchtigen, da sie Ressourcen verbrauchen, die an anderer Stelle eingespart werden müssen. Daher brauchen Pflanzen ein Signalnetzwerk, das die Reaktion auf den Insektenbefall reguliert. Phylogenomische Analysen an wilden Tabakarten (Nicotiana spp.) deuten darauf hin, dass eine Genomvervielfältigung die Evolution früher Abwehrsignale in Pflanzen entscheidend geprägt hat.
Insektenbefall löst frühe Abwehrsignale aus
Eine Vielzahl unterschiedlicher Insektenarten ernährt sich an Pflanzen. Die Pflanzenfresser oder Herbivoren bilden oft chemische Substanzen, sogenannte Elizitoren, die von Pflanzen wahrgenommen werden können [1]. Das Erkennen dieser Substanzen leitet in der Pflanze eine komplexe Kettenreaktion von Abwehrmechanismen ein, die entweder die Insekten davon abschrecken sollen, weiter an der Pflanze zu fressen, oder dieser dabei helfen, die Fressattacke zu überstehen (Abb. 1). Die Elizitoren fördern dabei rasch - innerhalb von 30 Minuten - die Anreicherung des Pflanzenhormons Jasmonsäure (jasmonic acid, JA), das wiederum eine Vielzahl von Verteidigungsreaktionen in Gang setzt [1, 2]. Hohe Konzentrationen von Jasmonsäure können sich jedoch auch negativ auf die Überlebens- und Fortpflanzungsfähigkeit von Pflanzen auswirken, nämlich dann, wenn das Hormon zwar Abwehrmechanismen aktiviert, diese aber gar nicht gebraucht werden [3]. Daher müssen Pflanzen die Signalnetzwerke, die die Bildung der Abwehrstoffe steuern, so regulieren können, dass Jasmonsäure nur dann angereichert wird, wenn der Nutzen, der aus der Abwehr der Angreifer entsteht, größer ist als die Kosten, die für die Bildung der Abwehrstoffe aufgebracht werden.
Die Regulierung dieser Netzwerke hat in der Forschung beträchtliche Aufmerksamkeit erfahren. Einige Schlüssel-Regulatoren im Kojotentabak Nicotiana attenuata wurden bereits identifiziert: die Protein-Kinase NaWIPK, die durch Verwundung induziert wird, und die calciumabhänige Protein-Kinase NaCDPK4/5 [1] können die durch Elizitoren von Pflanzenfressern ausgelöste Anreicherung von Jasmonsäure positiv (NaWIPK) bzw. negativ (NaCDPK4/5) beeinflussen. Eine Genom-weite Untersuchung offenbarte, dass Insektenbefall eine Expressionsveränderung von mehr als 1500 Genen im Kojotentabak zur Folge hatte [4]. Jedoch ist nicht bekannt, wie viele dieser Veränderungen der Genexpression direkt mit der Regulierung der Abwehrnetzwerke zu tun haben.
Die Identifizierung des Netzwerks der frühen Abwehr von Fressfeinden in Tabak
Die Abwehrmechanismen, die bei Insektenbefall ausgelöst werden, sind selbst bei nah verwandten Tabakarten der Gattung Nicotiana hochspezifisch. Wenn die Blätter verschiedener Tabakarten mit einem Elizitor derselben Insektenart behandelt werden, werden in den Pflanzen jeweils unterschiedliche Verteidigungsreaktionen aktiviert. Ähnlich verhält es sich, wenn die Blätter derselben Tabakart mit Elizitoren von unterschiedlichen Insektenarten behandelt werden: Auch in diesem Fall können unterschiedliche frühe Abwehrreaktionen festgestellt werden [5]. Diese hochspezifischen, durch Pflanzenfresser ausgelösten Reaktionen stellen ein ideales System dar, bei dem man die sogenannte Ko-Expressions-Netzwerk-Analyse anwenden kann. Dieser Untersuchungsansatz nutzt Messungen der Genexpression einer Vielzahl von Proben mit unterschiedlichem genetischem Hintergrund, um die statistische Aussagekraft einer Analyse zu erhöhen. Da sich die verschiedenen Tabakarten vor mehreren Millionen Jahren herausbildeten, sind bestimmte Gene, die in verschiedenen Arten aktiviert werden können, außerdem mit hoher Wahrscheinlichkeit für das Überleben der Pflanze von Bedeutung, denn sonst wären sie im Laufe der Evolution verloren gegangen.
Für die Identifizierung von Netzwerken der frühen Abwehr von Fressfeinden wurden die Blatt-Transkriptome von sechs nahe miteinander verwandten Tabakarten der Gattung Nicotiana (N. obtusifolia, N. linearis, N. acuminata, N. pauciflora, N. miersii und N. attenuata) sequenziert, nachdem ihre Blätter mit den Elizitoren von drei verschiedenen Pflanzenfressern induziert worden waren. Ein konserviertes Gen-Netzwerk (M4), das durch die Zugabe der Elizitoren aktiviert wurde, wurde mit Hilfe der Gen-Ko-expressions-Netzwerk-Analyse identifiziert. Zum M4-Netzwerk gehören die meisten der Gene, von denen man weiß, dass sie an der Steuerung der Jasmonsäurebildung und des Jasmonsäurestoffwechsels sowie an anderen induzierten Abwehrreaktionen in Folge von Herbivorenbefall beteiligt sind (Abb. 2). Interessanterweise scheint die Aktivierung des M4-Netzwerks hauptsächlich durch die Elizitoren der Pflanzenfresser zu erfolgen, nicht jedoch durch Jasmonsäure, deren Bildung parallel zur Netzwerk-Aktivierung oder sogar erst danach erfolgt [6].
Abb. 2: Das M4-Netzwerk: Jeder Netzwerk-Knoten stellt ein Gen im M4-Netzwerk dar. Die Form des Knotens repräsentiert die Eigenschaften des Gens, beispielsweise entspricht ein Dreieck dem Transkriptionsfaktor, ein abgerundetes Viereck einer Protein-Kinase, Ellipsen wiederum anderen Genen. Die Größe des Knotens weist auf die Stärke der Veränderung nach ihrer Induktion durch Elizitoren hin. Die Farbe jedes Knotens verkörpert die funktionelle Verortung des Gens, zum Beispiel seine Beteiligung an Abwehrsignalen oder programmiertem Zelltod, an biotischen und abiotischen Stressreaktionen und am Hormonstoffwechsel. Die Kanten zwischen zwei Knoten weisen auf einen Zusammenhang zwischen den beteiligten Genen hin, welcher auf ihren Ko-Expressions-Koeffizienten basiert. Die hier namentlich gezeigten Gene sind nachweislich an der Steuerung der frühen Abwehrsignale in Folge von Blattfraß durch Insekten beteiligt.
In Ergänzung zu diesen bekannten Genen wurden 64 Schlüsselregulatoren, die wahrscheinlich bei der Steuerung von Abwehrmechanismen gegen Fressfeinde eine Rolle spielen, identifiziert. Um die molekularen Funktionen der identifizierten Schlüsselregulatoren aufzuklären, wurde einer davon genauer charakterisiert: das Enzym NaLRRK1 (leucine-rich repeat receptor kinase), dessen Funktion bislang unbekannt war. Scheinbar bildet NaLRRK1 zusammen mit dem Jasmonsäure-Signal eine negative Rückkopplung und reguliert die durch Insektenfraß ausgelösten Abwehrreaktionen. Nach Insektenfraß aktivieren Elizitoren sehr schnell und gleichzeitig NaLRRK1 und die Bildung von Jasmonsäure (JA). Während eine erhöhte Expression von NaLRRK1 die JA-Biosynthese zu unterdrücken scheint, unterbindet die aktivierte Form der Jasmonsäure, JA-Ile, offenbar die Expression von NaLRRK1. Zusammen mit anderen positiven und negativen Regulatoren, die im M4-Netzwerk zu finden sind, weist eine solche negative Rückkopplung darauf hin, dass die Gene in diesem Netzwerk komplexe Schaltkreise bilden und damit zur Steuerung und Feinabstimmung induzierter Verteidigungsreaktionen in Tabakpflanzen beitragen [6].
Die Evolution des Netzwerks früher Abwehrsignale nach Herbivorenbefall bei Tabakpflanzen
Komplexe zelluläre Netzwerke entstehen oftmals als Ergebnis von Verdopplungen bestehender Netzwerke.Dieser Prozess kann durch die Multiplizierung ganzer Genome ermöglicht werden, bei der alle Gene in einem Organismus gleichzeitig kopiert werden. Nach Gen-Duplizierungen können die kopierten Gene entweder neue Funktionen bei der Steuerung eines neuen Netzwerks übernehmen, oder aber sie bleiben im gleichen Netzwerk und verstärken dort dessen Komplexität und Robustheit. Tabakarten der Gattung Nicotiana und andere Nachtschattengewächse (Solanaceae) teilen sich das Ereignis einer vollständigen Genom-Verdreifachung (whole genome triplication, WGT), das vor 91-52 Millionen Jahren vorgekommen sein muss [7]. Um die Rolle dieser Genom-Verdreifachung in der Evolution von Nachtschattengewächsen im Hinblick auf frühe Abwehrsignale von Tabak nach Attacken durch Fressfeinde zu untersuchen, wurde für jedes einzelne Gen des M4-Netzwerks die Geschichte von Gen-Duplizierungs-Ereignissen mit Hilfe eines phylogenomischen Ansatzes genauer unter die Lupe genommen. Gene, die auch nach der Verdreifachung des Genoms beibehalten wurden, waren im M4-Netzwerk signifikant angereichert (Abb. 3). Außerdem waren bei 120 Genpaaren, die nach der Genom-Verdreifachung entstanden waren, beide Partner im M4-Netzwerk aktiv. Diese Zahl ist überraschend hoch und entspricht schätzungsweise dem 2,8-fachen der zu erwartenden Anzahl, was darauf hindeutet, dass viele Gen-Paare vorzugsweise in das M4-Netzwerk eingebunden wurden. Offensichtlich sollten nach der Verdreifachung beide Gen-Partner beibehalten werden, da die Einbindung des Original-Gens und seiner Kopie in das gleiche Netzwerk evolutionär vorteilhaft war. Wahrscheinlich hat auch das Einfügen mobiler Elemente der Erbsubstanz, sogenannter Transposons, die auch als „springende Gene“ bekannt sind, dazu geführt, dass weitere die Abwehr steuernde Elemente in Gene eingefügt wurden, die ursprünglich nicht Teil des Netzwerks waren. Zusätzlich zu den Gen-Verdopplungen haben diese neuen Netzwerk-Gene die Evolution der frühen Abwehrsignale in Nicotiana entscheidend geprägt [6].
Abb. 3: Die Entwicklungsgeschichte von Gen-Duplizierungen im Kojotentabak (Nicotiana attenuata). Der blaue Stern zeigt an, wann sich die vollständige Genom-Verdreifachung bei den Nachtschattengewächsen (whole genome triplication, WGT) ereignet hat. Die Balken unter jedem Zweig stellen die Prozentzahl von Duplizierungen im jeweiligen Zweig dar: Die grünen Balken weisen auf Genom-weite (alle Gene, die in Blättern aktiv sind) Muster hin, während die roten Balken Genverdopplungen im M4-Netzwerk anzeigen. Signifikant (*) ist die hohe Anzahl der Verdopplungen von Genen, die an frühen Abwehrreaktionen beteiligt sind, die nach der Genom-Verdreifachung stattfanden (WGT).
Fazit
Durch eine vergleichende Transkriptom-Analyse konnte eine Vielzahl von Genen identifiziert werden, die gleichzeitig reguliert werden (Ko-Expressions-Netzwerk), und die an der Steuerung früher Abwehrsignale in Tabakpflanzen der Gattung Nicotiana beteiligt sind. Das identifizierte Netzwerk besteht aus komplexen positiven und negativen Rückkopplungen und regulatorischen Schaltkreisen. Die evolutionäre Analyse ergab, dass unter anderem die vollständige Genom-Verdreifachung in der Entwicklungsgeschichte von Nachtschattengewächsen sowie das Einfügen von „springenden Genen“ die Evolution von frühen Abwehrsignalen im Tabak geprägt hat.
Dieser Artikel wurde von den Autoren auf Englisch verfasst und von Angela Overmeyer und Karin Groten ins Deutsche übersetzt und bearbeitet.
Literaturhinweise
Annual Review of Genetics 44, 1-24 (2010)
The Plant Journal 84, 228-243 (2015)