Katrin Färber

Alkaloide als Toxine und Signale bei der pathogenen Interaktion zwischen Pilz- und Pflanzenzelle

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 06.11.2002

Abstract
Pflanzen haben im Laufe der Evolution morphologische und biochemische Abwehrmechanismen gegen pathogene Mikroorganismen entwickelt, zu denen u.a. die Bildung von Phytoalexinen gehört. Neben der Vielzahl von ubiquitären Pathogen-Abwehrreaktionen stellt die Biosynthese von Phytoalexinen speziestypische Sekundärstoffe mit antimikrobieller Wirkung bereit. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit standen Kontrollmechanismen bei der Bildung von Benzophenanthridin-Alkaloiden in Zellkulturen von Eschscholzia californica.
Ein Elicitorpräperat aus Bäckerhefe bewirkt neben der Auslösung der Alkaloidbiosynthese auch eine Blockade des Signaltransfers zur Alkaloidbildung für jeden weiteren Elicitorkontakt. Das Desensibilisierungsphänomen zeigt eine klare Selektivität: alternative Signale, welche sehr wahrscheinlich andere Signalwege benutzen (Jasmonate, Osmotika) sind in der Lage, auch nach dem Elicitorkontakt die Alkaloidbiosynthese erneut zu induzieren. Zur näheren Aufklärung des Desensibilisierungmechanismus und zur Charakterisierung von Veränderungen der Proteinbiosynthese nach Stresseinwirkung wurde ein Verfahren der 2D-gelelektrophorese entwickelt, mit sowohl das mRNA-Muster (nach in vitro Translation) als auch die das aktuelle Proteinmuster auf demselben Gel analysiert werden kann. Das Verfahren bietet die Möglichkeit, die Wirkung verschiedener Induktoren der Alkaloidbiosynthese auf das Protein- und mRNA-Spektrum vergleichend darzustellen, d.h. die Neubildung, Überproduktion oder das Verschwinden spezieller Proteine nach Stressorgabe. Es wurden erste Kandidaten-Proteine isoliert, welche selektiv als Antwort auf Elicitorkontakt oder andere Stressoren überexprimiert werden.

During evolution, plants have developed morphological and biochemical defense mechanisms against pathogenic microorganisms. Among these defense responses is the formation of phytoalexins. These antimicrobial secondary metabolites provide a species specific component among the complex series of principally similar and ubiquitiously occurring events of plant pathogen defence.
The main goal of the present thesis was to characterize control mechanisms that govern the production of benzophenanthridine alkaloids in cultured cells of Eschscholzia californica.
A glycoprotein elicitor preparation from bakers yeast triggers not only the induction of alkaloid production but subsequently causes a strong attenuation of the alkaloid response to any further elicitor contact. This desensitizing effect shows a clear selectivity: alternative signals, that most probably use different signal pathways (jasmonate, osmotic stress) are able to induce overproduction of benzophenanthridine alkaloids after elicitor contact.
In order to start into the molecular background of the desensitization mechanism and the changes of protein biosynthesis evoked by different stressors, we developed a variant of 2D-gel electrophoresis that allowed the simultaneous analysis of mRNA patterns (after iv-translation) and of the actual protein patterns of the cell culture. This opens experimental access to the molecular targets of various inducers of alkaloid biosynthesis on both the mRNA and protein level, i.e. to examine which proteins are newly formed, overproduced or disappear after distinct treatments. First candidate proteins were isolated that are likely to be specifically overproduced in response to the yeast elicitor or other stressors.

Keywords:
Alkaloide, Desensibilisierung, Pflanze-Pathogen-Interaktion, pflanzliche Toxine, 2D-Gelelektrophorese, pflanzlicher Signaltransfer, Benzophenanthridin-Alkaloide

alkaloids, desensitization, plant-pathogen-interaction, plant toxins, 2D-gel electrophoresis, plant signal transfer, benzophenanthridine alkaloids

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Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis, Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung (4-21)
2. Ergebnisse und Diskussion (22-78)
3. Material und Methoden (79-95)
4. Zusammenfassung (96-99)
5. Anregungen zur Weiterführung (100)
6. Anhang (101-142)
7. Literaturverzeichnis (143-170)