Zellwandbiosynthese in Syncytien von Zystennematoden

Die wirtschaftlich wichtigen Zystennematoden befallen Pflanzen, indem sie als Infektionslarven in die Wurzeln eindringen und im Zentralzylinder prokambiale Zellen so modifizieren, dass sich ein Nährzellensystem bildet. Dieses dient den Tieren über den gesamten Entwicklungszeitraum als einzige Nahrungsquelle. Die betroffenen Zellen hypertrophieren und verschmelzen durch den lokalen Abbau von Zellwänden zu einem metabolisch hoch aktiven Syncytium. Während sich die äußere Wand des Syncytiums verdickt und zum Xylem hin oberflächenvergrößernde Protuberanzen bildet, erfolgt unter Steigerung des Turgordrucks eine massive Streckung und Ausdehnung des Zellsystems. Im vorliegenden Projekt wird die These aufgestellt, dass die Verdickung der Zellwand und die Bildung der Protuberanzen mit der Biosynthese von Zellwandmaterial einhergeht. Am Beispiel des Rübenzystennematoden Heterodera schachtii soll an der Modelllpflanze Arabidopsis thaliana untersucht werden, inwieweit die Veränderung der Zellwandzusammensetzung für die Bildung des Nährzellensystems und letztendlich für die Nematodenentwicklung essentiell ist. Die Untersuchungen verfolgen drei wesentliche Ansätze. Im ersten Ansatz werden mit Hilfe von bereits erstellten Affymetrix GeneChips aus Syncytien verschiedenen Entwicklungsstadiums Gene identifiziert, die in die Zellwandbiosynthese involviert sind. Diese Daten werden mit Hilfe von (qRT-PCR) und in situ RT-PCR validiert und weiter analysiert, um Aufschluss darüber zu erhalten, welche Substanzen wo synthetisiert werden. In einem zweiten Ansatz werden Zellwandkomponenten mit Hilfe spezifischer Antikörper analysiert. Im dritten Ansatz wird eine Sammlung von Arabidopsismutanten dazu verwendet, Gene zu identifizieren, die funktionell am Aufbau der Syncytienzellwände beteiligt sind. Die Ergebnisse der dargelegten Untersuchungen werden erheblich zu einer Verbesserung des Kenntnisstandes über die Mechanismen der Syncytienentwicklung beitragen. Letztlich bieten gezielte Eingriffe in die Zellwandbiosynthese auch eine viel versprechende Grundlage für die Entwicklung von resistenten Pflanzen, in denen die Nematodenentwicklung unterdrückt wird.

Zysten- (Heterodera spp.) und Wurzelgallennematoden (Meloidogyne spp.) sind wichtige Pflanzenparasiten, die enorme Schäden in der Landwirtschaft verursachen. In Wurzeln der Wirtspflanzen induzieren sie spezifische Nährorgane, sogenannte Synzytien (Zystennematoden) bzw. Riesenzellen (Gallennematoden), die sich unter anderem durch extensive und weitgehend unerforschte Zellwandmodifizierungen (Verdickung, Streckung und Auflösung) auszeichnen. Das primäre Ziel dieses Projektes war daher, die molecular-biologischen Hintergründe dieser Prozesse sowie die qualitative Beschaffenheit der Zellwand dieser Nährorgane aufzudecken. Im Laufe dieses Projektes wurden zwei Genfamilien näher untersucht: Zellulosesynthasen (CesA Gene) und Pektatlyasen (PLLs). Die erstere Gruppe kodiert für Enzyme, die die Zellulose für den Zellwandaufbau synthetisieren. Frühere Studien zeigten, dass ihre Expression in Synzytien von Heterodera schachtii herunterreguliert ist. In diesem Projekt wurde dies mit unterschiedlichen Analysen in 5 und 15 Tage alten Synzytien bestätigt. Weitere Untersuchungen mit spezifischen Mutanten zeigten, dass die Nematoden die Wurzeln dieser Pflanzen besser parasitieren können. Die Herunterregulierung dieser CesA Gene im Zuge der Parasitierung wirkt sich demnach positiv auf Nematoden- und Nährzellenentwicklung aus. Vor Kurzem wurden zwei Pektatlyasen, PLL18 und PLL19, unter den 100 am stärksten aufregulierten Genen in Synzytien von Heterodera schachtii und in Gallen von Meloidogyne incognita gefunden. Im Laufe dieses Projektes wurde dies mit zusätzlichen Expressions- und Lokalisierungsstudien bestätigt. Diese Analysen haben gezeigt, dass es signifikante Unterschiede in der Expression der beiden Gene im infizierten Gewebe gibt. Experimente mit zwei homozygoten T-DNA Mutanten, pll19 und pll18, zeigten eine signifikante Reduktion der Entwicklung von Zysten-, aber nicht Gallennematoden in den Wurzeln dieser Pflanzen. Bemerkenswert ist, dass der Verlust beider Gene keine negative Auswirkung auf die Gallennematoden hat, sich aber auf die Entwicklung der Synzytien von Zystennematoden negativ auswirkt. Des Weiteren wurde Pektin in Zellwänden von Synzytien und Gallen mittels immunzytochemischer Methoden untersucht. Es wurden zwei Antikörper verwendet, die spezifisch an unterschiedlich methylierte Homogalakturonan-Moleküle binden. Die Ergebnisse dieser Experimente ermöglichten Einblicke in die Beschaffenheit der Zellwand in unterschiedlichen Stadien des Nematodenbefalls und zeigten eine starke Korrelation mit spezifischen Phasen der Parasitierung und der Nährorganentwicklung sowie der Expression der beiden PLL Gene. Die Ergebnisse dieses Projektes illustrieren die wichtige Rolle der CesA Gene und erlauben Einblicke in die zugrundeliegenden molekular-biologischen Mechanismen. Die unterschiedlichen Funktionsweisen nahverwandter Pektatlyasen in der Entwicklung von Synzytien und Riesenzellen/Gallen spiegeln sich in den deutlichen Unterschieden in der Pektin-Methylierung und damit der Zellwandbeschaffenheit in beiden Nährzellorganen wider. Dieses Projekt erweitert nicht nur das Wissen über wichtige zellwandbasierte Mechanismen in unterschiedlichen Nematodennährzellorganen, sondern führt auch zu einem besseren Verständnis der Interaktion zwischen Pflanze und parasitären Nematoden, welches für die Produktion von resistenten Nutzpflanzen von Bedeutung ist.