Peroxisome-Mediated Mechanisms of Plant Innate Immunity

Rapporteringsperiode 1, 20120301 - 20130930 Ikke bare mennesker, men også planter har et medfødt immunsystem som gjør at de kan forsvare seg mot virus- og bakteriepatogener, sopp, insekter og nematoder. Hvis vi forstår hvordan dette immunforsvaret fungerer på cellenivå i en modellplante, kan vi muligens styrke helsen og treningen til planteplanter ved å anvende "biologiske" og miljøvennlige strategier i landbruket, unngå sprøyting av soppdrepende stoffer og bakteriedrep og redusere årlige avlinger forårsaket av ulike plantesykdommer verden over. De fleste forskere verden over fokuserer nå i sin molekylære forskningsaktivitet på den lille planten Arabidopsis - dermed gjorde vi også for å slå sammen krefter. Vi identifiserte en ny gruppe proteiner (de såkalte NHL-proteiner) som ligger i en viktig celleorganell, peroxisomerene, hvor giftige molekyler syntetiseres og formidler plantevern mot patogener. I denne første rapportperioden begynte vi med å gjennomføre en litteraturundersøkelse og skrev en anmeldelseartikkel for å oppsummere hvilken forskning som tidligere hadde vært utført i vårt interessepunkt. Vi brukte PCen og anvendt bioinformatikk for å forutsi hvilke gener som er samekutt sammen og sannsynligvis fungere helt i et molekylært nettverk med våre NHL-proteiner av interesse. Mest spennende oppnådde vi indikasjoner på at våre proteiner er rettet mot peroksisomer ved en en ny, men ukjent og ubeskrevet bane. Rapporteringsperiode 2, 20131001 - 20140930 På cellenivå er det innfødte immunsystemet av planter overraskende lik det for mennesker, og begge forskningsfeltene kan lære av hverandre. I denne andre rapporten perioden, har vi fokusert på den nye veien der de interessante de såkalte NHL proteiner er rettet til peroxisomes. Vi forkortet proteinsekvensen og analyserte hvordan dette påvirket hvor proteinet var lokalisert i cellen. Vi undersøkte også eksperimentelt under hvilke forhold generene uttrykkes og fant ut at de uttrykkes (og dermed trolig nødvendig) når planter blir angrepet av bakterielle patogener. I tillegg isolerte vi såkalte single "knock-out mutants" av genene av interesse. Dette er planter som ikke lenger er i stand til å lage et bestemt protein. Hvis en slik mutant har et svakere immunsystem, har det slettede protein sannsynligvis en viktig funksjon i planten medfødt immunitet. Rapporteringsperiode 3, 20141001 - 20151201 I denne tredje rapportperioden fortsatte vi de interessante og helt nye bananalysene ved å konstruere og analysere ekstra slettekonstruksjoner og bruke andre uttrykkssystemer. Vi utførte såkalte "patogenanalyser" med de isolerte "knock-out mutantene", men kunne ikke finne noen endringer, sannsynligvis fordi de tre proteinene har lignende funksjoner. For å overvinne denne begrensningen forberedte vi doble mutanter, hvor to gener slettes. Mutantene viste en interessant fenotype og nivået av små metabolitter. Disse spennende resultatene ble supplert med proteomanalyser av peroksisomer, undersøkelse av forskjeller i enheten på ca. 200 peroksisomale proteiner.

The devastating impacts of crop pathogens are well-known and significantly reduce agricultural productivity. However, most plants are resistant to pathogens due to complex mechanisms of innate immunity. New knowledge of defense mechanisms is needed to inc rease pathogen resistance of crop plants. Here, we will identify and characterize new pathogen resistance pathways in Arabidopsis. Peroxisomes have well-known metabolic functions, but are not normally associated with defense responses. Our data show that many unknown defense-related proteins are located in peroxisomes. We will determine the new emerging function of peroxisomes in plant innate immunity. For one of two major families of peroxisome-targeted defense proteins, we will determine protein functio ns, identify protein networks and defense pathways, and will describe the molecular mechanisms underlying pathogen resistance. The knowledge will be translatable to biotechnological applications to increase pathogen resistance of crop plants. The goals wi ll be achieved by a strong inter-disciplinary and internationally unique research consortium. The trinational team involves three Norwegian groups, three FUGE nodes, one German and two US partners. The central expertise of the project manager in peroxisom e biology and applied bioinformatics is complemented by top-level competence in plant pathology, hard-core bioinformatics, and systems biology. The basic research project will act as a springboard for applied agronomic projects, open up industrial funding streams, and may lead to patentable knowledge. The plant project might even have pioneering character for medical research and lead to the discovery of conserved immunity-related functions of human peroxisomes. Internationally seen, no other peroxisome r esearch group is known to focus on pathogen resistance mechanisms in plants, fungi, or mammals.