Pflanzen sind eine der wichtigsten Grundlagen für die Existenz von Leben auf unserer Erde. Ihnen werden zwei bedeutende Funktionen zugeschrieben. Erstens sind Pflanzen der elementare Baustein der Vegetationsdecke und stellen eine Nahrungsquelle für Tiere, Pilze und Mikroben dar. Zweitens dienen sie als Nutzpflanzen der menschlichen Ernährung. Aus diesem Grund ist der Mensch abhängig von einer ertragreichen Pflanzenproduktion. Vor allem nimmt diese Abhängigkeit angesichts der globalen Bevölkerungsentwicklung zu, da die Landwirtschaft zwangsläufig weiter intensiviert werden muss. Des Weiteren ist das heutige Wissen über die Nutzpflanzenproduktion noch sehr gering und es bestehen erhebliche internationale Unterschiede im Anbau der Kulturen. Durch diese Problematik entstehen Hungersnöte in vielen Entwicklungsländern, während potenzielle Erträge meist nicht erreicht werden können. Diese Umstände verdeutlichen, dass Forschung und Entwicklung für die pflanzliche Erzeugung essenziell sind.
Pflanzen sind konstant abiotischen und biotischen Stressbedingungen ausgesetzt, weshalb sie sich in ihrer Entwicklung diverse Abwehrmechanismen angeeignet haben (Hallmann, J. et al. 2007). Diese Abwehrmechanismen entstehen zum größten Teil durch die Interaktion zwischen Pflanzen und Pathogenen. Die Pflanze schützt sich vor Bakterien, Viren und Pilzen durch strukturelle, biochemische oder chemische Mechanismen. Als Reaktion darauf entwickelten sich bei den Pflanzenpathogenen mit der Zeit mehrere Formen der Besiedlung und Penetration in die Pflanze. Insbesondere die Blätter und Wurzeln stehen im engen Kontakt mit Pathogenen, da hier natürliche Öffnungen (Stomata, Lentizellen, Nektarien) und Wunden vorhanden sind (Buchanan, B. et al. 2000).
Inhaltsverzeichnis
2 Zusammenfassung
3 Einleitung
3.1 Pflanzliche Abwehrmechanismen
3.1.1 Elicitoren
3.1.2 Microbe-associated-molecular-patterns (MAMPs)
3.2 Das Phloem
3.2.1 Nährstofftransport im Phloem
3.3 Verschluss der Siebelemente
3.3.1 P-Proteine in den Siebelementen
3.3.2 Proteine in Cucurbita maxima (PP1 und PP2)
3.3.3 Forisome in Vicia faba
3.3.4 Verschluss der Siebelemente durch Callose
4 Ziel der Arbeit
5 Material
5.1 Pflanzenmaterial
5.2 Lösungen
5.2.1 Puffer
5.2.2 Farbstoffe
5.2.3 Verbrauchsstoffe
5.2.4 Microbe-associated-molecular-patterns (MAMPs)
5.3 SDS-Page (SDS-Polyacrylamidgelelektrophorese)
5.4 Geräte
5.4.1 Mikroskopie
5.4.2 Software
5.5 Verbrauchsmittel
6 Methoden
6.1 Beobachtung im intakten Gewebe (in-vivo-Technik)
6.1.1 Aufbereitung der intakten Versuchspflanzen
6.1.1.1 Forisomreaktion durch einen Brennreiz
6.1.1.2 Forisomreaktion durch MAMPs
6.1.1.3 Färbung des Phloems
6.2 Probenentnahme von Cucurbita maxima
6.2.1 Eindimensionale SDS-Page
7 Ergebnisse
7.1 Beobachtung des intakten Phloems
7.1.1 Forisomreaktion nach flg22-Applikation
7.1.1.1 Untersuchung der Lage im Siebelement in Vicia faba
7.1.1.2 Fluoreszenzmikroskopie (CFDA)
7.1.2 Forisomreaktion auf Chitin (N-acetylchitooctaose)
7.1.2.1 Position und Lage der Forisome bei glc8-Applikation
7.2 Eindimensionale SDS-Page mit Phloemsaft
8 Diskussion
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die pflanzlichen Abwehrmechanismen im Phloem-Leitsystem durch proteinvermittelte Verschlussmechanismen nach der Applikation mikrobieller Elicitoren (MAMPs). Dabei wird die Forschungsfrage adressiert, ob Proteine wie Forisome in Vicia faba sowie PP1 und PP2 in Cucurbita maxima spezifische, induzierbare Reaktionen zeigen, die einen reversiblen Verschluss der Siebelemente ermöglichen und damit zur pflanzlichen Immunantwort (PTI) beitragen.
- Analyse der proteinvermittelten Siebelement-Okklusion (SEO)
- Physiologische Veränderungen der Forisome nach Reizapplikation
- Untersuchung von MAMP-Reaktionen (flg22 und Chitin) im Phloem
- Quantitative Untersuchung der Proteinkonzentrationen in Cucurbita maxima
Auszug aus dem Buch
3.3.1 P-Proteine in den Siebelementen
Bei einer Verletzung des Phloems werden P-Proteine vom Phloemstrom mitgerissen, wodurch die Proteine die Siebplatten verstopfen. Durch die Verstopfung werden die darauffolgenden Siebelemente vor zu großem Turgordruck beschützt, sowie ein zu großer Phloemsaftverlust verhindert. Weiterhin entsteht eine Barriere für potenzielle Phytopathogene und ihre Toxine. Der Phloemsaft enthält eine große Vielfalt an Proteinen, die als Sieve Tube Exudate Proteins (STEPs) bezeichnet werden. Es existieren ungefähr 100 bis 200 Proteine im Phloem. Einige Proteine zirkulieren zwischen den Siebelementen und den Geleitzellen und werden in den Geleitzellen synthetisiert. Zu den STEPs gehören auch Teile von Strukturproteinen.
Eine wichtige Gruppe sind die im Phloem mobil verlagerten Phloem-Proteine (P-Proteine) (Buchanan, B. et al. 2000). Je nach Art und Entwicklungsstadium gibt es unterschiedliche Zusammensetzungen und Strukturen von P-Proteinen, wie granuläre, filamentöse, fibrilläre, kristalline oder tubuläre Proteine (Sabnis, D. D. et al. 1979; Dannenhoffer, J. M. et al. 1997). Die am besten erforschten P-Proteine sind Phloem-Protein 1 (PP1) und Phloem-Protein 2 (PP2) in Cucurbita maxima. Beide PPs werden in den Geleitzellen synthetisiert und im Siebelement mithilfe von Pore-Plasmodesmos-Units (PPU) transportiert (Knoblauch, M. et al. 2008). Eine weitere besondere Form der P-Proteine sind die sogenannten Forisome. Diese kristallinen, spindelförmigen Proteine im Phloem der Fabaceae sind ebenfalls am Verschluss der Siebelemente (SEO) beteiligt (van Bel, A. J. E. et al. 2003).
Zusammenfassung der Kapitel
Zusammenfassung: Bietet einen Überblick über die pflanzliche Anpassung an Mikroorganismen und fasst die zentralen experimentellen Ziele sowie die gewonnenen Erkenntnisse zur proteinvermittelten Abwehr zusammen.
Einleitung: Beschreibt die grundlegende Bedeutung von Pflanzen, deren Abwehrmechanismen gegen Pathogene sowie die spezialisierte Funktion des Phloems als Transport- und Kommunikationsmedium.
Ziel der Arbeit: Definiert den Schwerpunkt der Untersuchung auf die physiologischen Veränderungen der Forisome und die Reaktion von Phloem-Proteinen auf biotische Reize.
Material: Listet das verwendete Pflanzenmaterial, die chemischen Lösungen, die Methodik der Proteintrennung sowie die eingesetzten Laborgeräte und Software detailliert auf.
Methoden: Erläutert die in-vivo-Beobachtungstechniken zur Analyse von Forisomen sowie die Durchführung der Probenentnahme und der SDS-Page zur Proteinanalyse.
Ergebnisse: Präsentiert die Beobachtungen der Forisomreaktionen nach Applikation von Flagellin und Chitin sowie die quantitativen Daten zur Proteinveränderung in Cucurbita maxima.
Diskussion: Analysiert die Versuchsergebnisse im Kontext der pflanzlichen Immunantwort und diskutiert die biologischen Mechanismen des reversiblen Siebelementverschlusses.
Schlüsselwörter
Phloem, Forisome, Siebelementverschluss, Vicia faba, Cucurbita maxima, MAMPs, Flagellin, Chitin, Protein-Aggregation, Pattern-Triggered-Immunity, Ca2+-Hotspots, Massenstrom, P-Proteine, Immunantwort, Signalübertragung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelor-Thesis grundlegend?
Die Arbeit befasst sich mit der pflanzlichen Abwehr auf zellulärer Ebene, speziell mit dem Schutzmechanismus des reversiblen Verschlusses von Siebelementen (Sieve Element Occlusion) im Phloem nach dem Kontakt mit pathogenen Reizen.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die zentralen Themen umfassen die Physiologie von Forisomen in Vicia faba, die Rolle von P-Proteinen (PP1/PP2) in Cucurbita maxima sowie die Reaktion des pflanzlichen Leitsystems auf mikrobielle Elicitoren.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage der Arbeit?
Ziel ist es zu belegen, dass die Pflanze durch proteinvermittelte Prozesse den Massenstrom bei pathogener Bedrohung unterbricht und somit eine Form der Pattern-Triggered-Immunity (PTI) im Phloem aktiv ausübt.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Es werden in-vivo-Mikroskopietechniken mittels Konfokal-Laser-Scanner-Mikroskopie (KLSM) für die Forisom-Beobachtung sowie die eindimensionale SDS-Polyacrylamidgelelektrophorese (SDS-Page) zur Analyse der Proteinkonzentrationen verwendet.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die methodische Präparation der Versuchspflanzen, die Beobachtung der Forisomdispersion durch Reizapplikation sowie die quantitative Auswertung der Proteinänderungen in Cucurbita maxima nach Infiltration mit flg22.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren diese Arbeit?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie Forisome, Phloem, MAMPs, Siebelementverschluss, Flagellin und proteinvermittelte Abwehrreaktion maßgeblich charakterisiert.
Welche Bedeutung haben die Forisome in dieser Arbeit?
Forisome fungieren als spezialisierte, ATP-unabhängige P-Proteine, die bei einem bakteriellen Reiz ihre Konformation ändern, dispergieren und somit mechanisch die Siebplatten verstopfen.
Wie reagieren die Phloem-Proteine PP1 und PP2?
Die Forschung zeigt, dass diese Proteine nach dem Kontakt mit Flagellin agglutinieren, was zu einer Reduzierung der löslichen Proteinkonzentration im Phloemsaft führt und somit ebenfalls zum Verschluss der Siebelemente beiträgt.
Konnte eine Reaktion auf Chitin nachgewiesen werden?
In den durchgeführten Versuchsreihen mit den gewählten Konzentrationen von Chitin (glc8) konnten keine signifikanten Reaktionen oder Dispersionen der Forisome in Vicia faba beobachtet werden.
Was ist die Schlussfolgerung bezüglich des pflanzlichen Abwehrsystems?
Die Ergebnisse stützen die Hypothese, dass der proteinvermittelte Siebelementverschluss ein integraler, reversibler und aktiver Bestandteil der pflanzlichen Immunantwort gegenüber biotischen Reizen ist.
- Arbeit zitieren
- Daniel Dittrich (Autor:in), 2012, Proteine im Phloem, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/231364
