Zurich, Switzerland
August 26, 2020
>> How plants close the door to pathogens (The Sainsbuty Laboratory)
Like humans, plants protect themselves against pathogens. An international consortium under the lead of UZH professor Cyril Zipfel has now identified a long sought-after factor of this plant immune system: The calcium channel triggers the closure of stomata upon contact with microbes such as bacteria. This innate defense mechanism could help to engineer crop plants that are resistant to pathogens.
Stomata, tiny pores on the leaf, enable gas exchange with the environment and batten down the hatches when they encounter potentially pathogenic microbes. (Image: istock.com/Constantin Cornel)
Each plant leaf has hundreds of tiny pores that enable the exchange of gases with the environment. By inhaling CO2 and releasing oxygen and water vapor, these stomata are essential for photosynthesis, the survival of plants – and ultimately all life on this planet. The size of the openings is dynamically controlled to allow plants to adapt to changing conditions like sunlight, drought and rain. The opening and closing is facilitated through the swelling and shrinking of two so-called guard cells that form a ring-like border around the pore.
Plants can defend themselves
Plant researchers have long known that leaves also batten down the hatches when they encounter potentially pathogenic microbes. This reaction is part of the innate plant immune system: Receptors at the surface of plant cells recognize typical structures of microbes such as parts of bacterial flagellae. This leads to a series of reactions that ultimately block microbe entry and multiplication. One of these responses is stomatal closing, which is equivalent to closing the gates to the pathogens.
Long search for a missing link
However, the mechanism behind this microbe-induced closure of stomata remained largely unexplained, although it was shown that a rapid influx of calcium ions into the guard cells triggered the reaction. "The identity of the channels that mediate this rapid calcium movement was still unknown and has vexed researchers for a long time," says Cyril Zipfel, professor of molecular and cellular plant physiology at the University of Zurich and senior group leader at the Sainsbury Laboratory in Norwich, UK. After six years of research, he has now published a study that closes this gap and identifies the relevant calcium channel in the model plant Arabidopsis. As well as Zipfel’s team, several international research groups contributed to the results.
Microbes trigger channel opening
The decisive clue was that the identified channel protein, OSCA1.3 – with a hitherto unknown function – was modified by an important component of the plant immune system. This modification leads to the opening of the OSCA1.3 channel, the influx of calcium ions into the guard cells and the closing of the stomata. Zipfel’s team could show that this reaction was specifically initiated when Arabidopsis plants were brought into contact with parts of bacterial flagellae – one of the microbial triggers of the plant immune system.
Specific to immune response
The researchers confirmed this result by introducing several genetic mutations that abolished the function of the OSCA1.3 calcium channel. In these mutated plants, the microbial trigger did not lead to the closing of the pores. Further experiments showed that the channel is also not activated by drought and salinity, other environmental factors that induce the closure of stomata. "This finding reveals the first plant calcium channel with a role in stomatal closure," says Zipfel. "Interestingly, this channel seems specific to plant immunity." He therefore speculates that other plant calcium channels from the same family may respond specifically to other stress factors like drought. This will be the topic of future research.
"Obviously, this channel is involved in an important immune response in plants," says Zipfel. "These findings therefore have the potential to help with the engineering of pathogen-resistant crops." Under real and significant threat by pathogens the plants could then close the gates that would normally allow dangerous microbes to enter into their tissues.
Literature:
Kathrin Thor, Shushu Jiang et al. The calcium-permeable channel OSCA1.3 regulates plant stomatal immunity. The calcium-permeable channel OSCA1.3 regulates plant stomatal immunity. Nature. 25 August 2020. DOI: 10.1038/s41586-020-2702-1
Wie Pflanzen Angriffe von Mikroben abwehren
Wie wir Menschen schützen sich auch Pflanzen gegen Krankheitserreger. Ein internationales Konsortium unter der Leitung von UZH-Professor Cyril Zipfel hat nun einen lang gesuchten Faktor dieses pflanzlichen Immunsystems identifiziert: Bei Kontakt mit Mikroben veranlasst ein Kalziumkanal, dass sich die winzigen Poren auf der Blattoberfläche schliessen. Dieser Abwehrmechanismus könnte helfen, gegen Krankheitserreger resistente Nutzpflanzen zu entwickeln.
Jedes Pflanzenblatt besitzt Hunderte von winzigen Poren, die den Austausch von Gasen mit der Umwelt ermöglichen – die Aufnahme von CO2 und die Freisetzung von Sauerstoff und Wasserdampf. Diese sogenannten Spaltöffnungen (Stomata) sind essenziell für die Photosynthese, das Überleben der Pflanzen und letztlich jedes Leben auf diesem Planeten. Die Grösse der Öffnungen ist dynamisch geregelt, so dass sich die Pflanzen an wechselnde Bedingungen wie Sonnenlicht, Dürre und Regen anpassen können. Das Öffnen und Schliessen geschieht durch das Anschwellen und Schrumpfen von zwei sogenannten Schliesszellen, die den Rand der Pore ringförmig umschliessen.
Pflanzen können sich verteidigen
Die Pflanzenforschung weiss schon seit längerem, dass Blätter diese Schotten dicht machen, wenn sie potenziell pathogenen Mikroben ausgesetzt sind. Die Reaktion ist Teil des angeborenen Immunsystems von Pflanzen: Rezeptoren an der Oberfläche von Pflanzenzellen erkennen typische Strukturen von Mikroben, etwa Bakteriengeisseln. Dies führt zu einer Reihe von Reaktionen, die letztlich das Eindringen und die Vermehrung der Mikroben blockieren. Eine dieser Reaktionen ist der Verschluss der Spaltöffnungen.
Lange Suche nach fehlendem Bindeglied
Der Mechanismus hinter diesem Verschluss blieb jedoch weitgehend ungeklärt. Klar war, dass die Reaktion durch einen raschen Einstrom von Kalzium-Ionen in die Schliesszellen induziert wird. «Die Identität der Kanäle, die diese schnelle Bewegung von Kalzium bewirken, war aber noch immer unbekannt», sagt Cyril Zipfel, Professor für Molekulare und Zelluläre Pflanzenphysiologie an der Universität Zürich und Senior Group Leader am The Sainsbury Laboratory in Norwich, Grossbritannien. Nach sechs Jahren Forschung hat er nun eine Studie veröffentlicht, die diese Lücke schliesst und den wichtigen Kalziumkanal in der Modellpflanze Arabidopsis identifiziert. Neben Zipfels Team haben mehrere internationale Forschungsgruppen zu den Ergebnissen beigetragen.
Mikroben lösen das Öffnen der Kanäle aus
Der entscheidende Hinweis war, dass das identifizierte Kanalprotein OSCA1.3 – dessen Funktion bisher unbekannt war – durch eine wichtige Komponente des pflanzlichen Immunsystems modifiziert wird: Diese Modifikation führt zur Öffnung des OSCA1.3-Kanals, zum Einströmen von Kalzium-Ionen in die Schliesszellen und zum Schliessen der Spaltöffnungen. Zipfels Team konnte zeigen, dass diese Reaktion gezielt ausgelöst wurde, wenn Arabidopsis-Pflanzen in Kontakt mit Teilen von Bakteriengeisseln kamen, einem der mikrobiellen Auslöser des pflanzlichen Immunsystems.
Spezifisch für die Immunantwort
Die Forscher bestätigten dieses Ergebnis, indem sie mehrere genetische Mutationen einführten, die die Funktion des Kalziumkanals OSCA1.3 aufhoben. Bei diesen mutierten Pflanzen führte der mikrobielle Auslöser nicht zum Schliessen der Poren. Weitere Experimente zeigten, dass der Kanal nicht durch Trockenheit und hohen Salzgehalt – andere Umweltfaktoren, die das Schliessen der Spaltöffnungen auslösen – aktiviert wird. «Diese Ergebnisse identifizieren den ersten pflanzlichen Kalziumkanal, der eine Rolle beim Verschluss der Spaltöffnungen spielt», sagt Zipfel. «Interessanterweise scheint dieser Kanal spezifisch für die pflanzliche Immunität zu sein.» Er vermutet daher, dass weitere pflanzliche Kalziumkanäle aus derselben Familie spezifisch auf andere Stressfaktoren wie Dürre reagieren könnten. Dies ist Gegenstand von zukünftiger Forschung.
«Offensichtlich ist dieser Kanal an einer wichtigen Immunantwort bei Pflanzen beteiligt», sagt Zipfel. «Unsere Erkenntnisse haben daher das Potenzial, bei der Entwicklung von resistenten Nutzpflanzen zu helfen.» Bei realer und erheblicher Bedrohung durch Krankheitserreger könnten die Pflanzen dann die Eingangspforten schliessen, die gefährlichen Mikroben normalerweise das Eindringen in ihr Gewebe ermöglichen.
Literatur:
Kathrin Thor, Shushu Jiang et al. The calcium-permeable channel OSCA1.3 regulates plant stomatal immunity. The calcium-permeable channel OSCA1.3 regulates plant stomatal immunity. Nature. 25 August 2020. DOI: 10.1038/s41586-020-2702-1
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