Microbiologie in hapklare porties
Undercover gaan: Planten bestrijden schimmels met boodschappermoleculen
Een biljoen. 1,000,000,000,000. Dit is het aantal microbiële soorten dat naar schatting op deze planeet leeft, inclusief bacteriën, virussen, schimmels en eencellige parasieten. Slechts enkele daarvan zijn pathogeen en maken hun gastheer ernstig ziek. Maar eerlijk gezegd, “een paar” op een biljoen is nog steeds veel. Elk levend organisme op deze planeet, inclusief planten, kan geïnfecteerd worden door verschillende pathogene microben. Het resultaat is een constante “wapenwedloop” tussen gastheer en ziekteverwekker en de evolutie van een veelheid aan verdedigingsstrategieën. En ook al zien ze er misschien niet zo uit, planten hebben een indrukwekkend repertoire.
Gastheer en infecterende microbe interageren door biomoleculen uit te wisselen om elkaar uit te buiten of te verzwakken. In planten wordt dit fenomeen ‘cross-kingdom small RNA trafficking‘ genoemd. Tot nu toe hadden onderzoekers alleen een uitwisseling van kleine ribonucleïnezuren (sRNA’s) ontdekt die bijvoorbeeld belangrijke pathogene genen het zwijgen kunnen opleggen. In een recente studie onderzochten onderzoekers van de Universiteit van Californië of een ander type RNA, het boodschapper-RNA (mRNA), kan worden overgedragen van planten naar schimmels om een lopende infectie te bestrijden. (Voor het geval je het nog niet wist, mRNA’s coderen de bouwtekening voor eiwitten, biomoleculen die een groot deel van het werk doen in alle levende cellen. Als je meer wilt weten over genexpressie, mRNA en eiwitten, lees dan dit artikel).
Eerste vondst: Extracellulaire blaasjes van planten bevatten mRNA
De auteurs onderzochten eerst of microscopische voertuigen, die sRNAs transporteren tussen plantencellen en schimmelcellen, plant-mRNAs bevatten. Stel je kleine druppeltjes voor die gemaakt zijn van een lipide dubbellaag membraan, dat zijn de extracellulaire blaasjes (EVs). EVs die verzameld zijn uit bladeren van Arabidopsis thaliana planten die geïnfecteerd zijn met de schimmelziekteverwekker Botrytis cinerea bevatten inderdaad mRNAs naast andere sRNAs. Deze schimmel veroorzaakt grijsrot in veel verschillende plantensoorten, het meest opvallend in wijndruiven – misschien heb je dit grijze “pluis” op fruit wel eens eerder gezien. Omdat zien geloven is, maakten de auteurs gebruik van zogenaamde RNA aptameren om sommige van de geïdentificeerde mRNAs te visualiseren door middel van groene fluorescentie binnen de EV’s. Overigens hebben deze fluorescerende RNA aptameren meestal hilarische namen zoals Broccoli of Spinazie. Het lijkt erop dat onderzoekers niet altijd de hersenen over hebben om iets indrukwekkends te bedenken voor hun uitvindingen.
Tweede bevinding: Plantaardige mRNAs worden in schimmels omgezet in eiwitten
Oké, terug naar het onderwerp. De auteurs toonden aan dat de groene mRNAs in de schimmelhyfen werden getransporteerd door EV’s te verzamelen van planten die deze mRNAs produceerden, gemarkeerd met Broccoli, en ze te incuberen met schimmelcellen (zie de afbeelding hieronder). Omdat deze opstelling nogal kunstmatig was, bevestigden ze dit ook in een natuurlijke infectie van Arabidopsis planten met B. cinerea. Het valideren van bevindingen in verschillende systemen van lage tot hoge complexiteit geeft ze meer betekenis omdat het minder waarschijnlijk is dat ze artefacten zijn die specifiek zijn voor slechts één systeem.
Je hebt eerder geleerd dat mRNAs slechts de blauwdrukken zijn voor eiwitten. Door middel van een reeks verschillende experimenten onderzochten de auteurs vervolgens of de mRNAs daadwerkelijk werden omgezet in eiwitten in de schimmelcellen. Eén benadering was om de Arabidopsis plant genetisch te modificeren zodat één van de mRNAs in de EV’s, SAG21, zou leiden tot een eiwit dat met gele fluorescentie werd gemarkeerd. Ze genereerden een controlelijn met een gemuteerd mRNA van SAG21 dat de productie van het betreffende eiwit zou voorkomen. Hoewel het gemuteerde mRNA in de schimmelcel terechtkwam, detecteerden de auteurs alleen het gele SAG21 eiwit dat gemaakt was van de niet-gemuteerde versie. Best slim, nietwaar?
Derde bevinding: Plantaardige eiwitten in schimmelcellen verminderen infectie van de plant
Tot slot hadden de auteurs het ultieme bewijs nodig dat dit nieuw ontdekte pendelen van mRNAs van plantencellen naar schimmelcellen diende als verdedigingsstrategie. 40% van de mRNAs die de auteurs in EV’s vonden, waren al eerder in verband gebracht met het afweersysteem van de plant – waaronder SAG21. Infectie van Arabidopsis planten met genetisch gemodificeerde schimmels die het SAG21 eiwit produceerden (wat betekent dat er extra SAG21 eiwitten in de planten zitten) resulteerde in kleinere bladletsels (zie de figuur hieronder). En omgekeerd, als de plant het SAG21 eiwit miste, werden de laesies veroorzaakt door de schimmelinfectie groter.
In het algemeen is het in deze studie voor het eerst aangetoond dat plantaardig mRNA naar schimmelcellen wordt vervoerd via EV’s om de infectie te bestrijden. Bovendien is het een geweldig voorbeeld van hoe je stap voor stap tot een conclusie kunt komen, waarbij je onderweg elk vakje aanvinkt. En het toonde opnieuw aan dat planten ingewikkelde verdedigingsmechanismen hebben ontwikkeld tegen ziekteverwekkers – die zelfs zouden kunnen worden gebruikt voor gewasbeschermingsoplossingen in de landbouw. Wetenschappers werken aan de ontwikkeling van kunstmatig geproduceerde EV’s die van planten afkomstige, schimmelwerende sRNAs bevatten en voor of na de oogst op gewassen kunnen worden gesproeid. EV’s worden overigens niet alleen door planten geproduceerd. Ze zijn momenteel een zeer actueel onderwerp in kankeronderzoek bij mensen omdat ze de tumor helpen zich uit te breiden en zijn omgeving vorm te geven. Maar dit is een verhaal voor een andere keer.
Featured image: Made using Bing image creator
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 