Molecular study of the trypsin proteinase inhibitor defense mechanism and early herbivory-induced signaling in Nicotiana

Wu, Jianqiang GND

Im Laufe der Evolution haben Pflanzen ein ausgereiftes Verteidigungssystem entwickelt um sich gegen Fraßfeinde zu wehren. Pflanzen reagieren mit fein abgestimmten Veränderungen der Transkription, erhöhten Phytohormonkonzentrationen und schließlich mit der Produktion von direkt und indirekt wirkenden Abwehrstoffen auf Herbivorenbefall. Mitogen-activated Proteinkinasen (MAPK) spielen eine entscheidende Rolle bei der Signalübertragung extrazellulärer Stimuli auf intrazelluläre Reaktionen. In Pflanzen sind insbesondere zwei Kinasen, die salicyl–acid induced Proteinkinase (SIPK) und die wound-induced Proteinkinase (WIPK), bei verschiedenen Stressantworten involviert. Mit dieser Arbeit demonstrieren wir das SIPK und WIPK kurz nach Raupenfraß aktiviert werden. Durch Anwendung einer virusbasierten Methode zur selektiven Ausschaltung spezifischer Gene (VIGS) erhielten wir Pflanzen mit stark reduzierter SIPK-und WIPK Aktivität. Wir zeigen das SIPK und WIPK die nach Raupenfraß induzierten Hormone Jasmonsäure (JA), JA-Isoleucin und die Salizylsäure regulieren; SIPK kontrolliert zusätzlich noch die Ethylenbiosynthese. Weiterhin weisen Expressionsanalysen darauf hin das beide Kinasen die Transkriptionslevel von Phytohormonbiosynthesegenen, anderen MAPKs und Calcium-abhängigen Proteinkinasen (CDPKs) regulieren als auch von Genen, die in der direkten Verteidigung involviert sind, wie zum Beispiel Trypsinproteinase Inhibitor (TPI) und Phenylalanin-amonium Lyase. Daher sind beide Kinasen, SIPK und WIPK, wichtige vorgeschaltete Signalkomponenten die die Verteidigung der Pflanze gegen Fraßfeinde vermitteln.

Over time, plants have acquired sophisticated defense systems to cope with herbivory. Plants react to herbivory with finely tuned transcriptional changes, elevated phytohormone levels, and finally production of direct and indirect defense compounds. Mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling plays an important role in transducing extracellular stimuli into intracellular responses. In plants, salicylic-acid induced protein kinase (SIPK) and wound-induced protein kinase (WIPK) have been shown to be involved in various stress responses. In this study, we demonstrate that both SIPK and WIPK are quickly activated after herbivory. Using a virus-induced gene silencing (VIGS) system, we obtained SIPK- and WIPK-silenced plants, which have greatly reduced SIPK and WIPK activity, respectively. We show that SIPK and WIPK regulate herbivory-induced jasmonic acid (JA), JA-isoleucine, salicylic acid levels; SIPK regulates ethylene biosynthesis. Furthermore, gene expression analyses indicated that both kinases mediate transcript levels of phytohormone biosynthesis genes, several other MAPKs and even CDPKs, and genes involved in direct defense, such as trypsin proteinase inhibitor (TPI) and phenylalanine ammonia-lyase (PAL). Thus both SIPK and WIPK are important upstream signaling components mediating plants’ resistance to herbivory.

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Wu, Jianqiang: Molecular study of the trypsin proteinase inhibitor defense mechanism and early herbivory-induced signaling in Nicotiana. 2008.

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