As a universal process in all multicellular organisms, including humans and plants, damaged cells send out signals to alert the surrounding tissue of the wound. These signals can activate the immune system to prevent infection and promote tissue regeneration, eventually leading to wound healing. In plants, short protein fragments or peptides play an important role in the immune system. These peptides are produced from precursor proteins that are ‘cut into shape’ by so-called proteolytic enzymes or proteases.
The problem is that there are a lot of proteases, which means that it is essential to identify which ones perform which roles in the plant immune system. By wounding leaves of the thale cress, Arabidopsis thaliana, the teams of Thomas Boller (Prof. emeritus, University of Basel), Frank Van Breusegem (VIB-UGent Center for Plant Systems Biology) and Kris Gevaert (VIB-UGent Center for Medical Biotechnology) found that a class of proteolytic enzymes called metacaspases played an important role in the plant’s response which involves the release of calcium and the peptide precursor protein PROPEP1. They checked their findings by producing a plant with a mutation in the gene coding for an important metacaspase. This plant was unable to release the immune signal.
To understand the speed and extent of the immune response in Arabidopsis, Simon Stael, the postdoc who led the efforts, damaged the roots with lasers. The targeted plant cells responded quickly. Simon Stael says: “We were really excited to see those first laser shots followed by calcium waves and PROPEP1 signal dispersion.” The newly uncovered process can be summarized as follows: damage elicits high calcium levels in the cell interior that activate metacaspases. These metacaspases go to work on PROPEP1, which regulates the immune response and associated damage limitation efforts.
This opens up new avenues of research since proteases usually cleave more than one protein. So, which other plant processes are influenced by metacaspases and contribute to wound response and immunity? We can now also use the laser ablation technique to look at a variety of other responses in the damaged cells and their surroundings, to learn more about the details of local wound response. Finally, crop breeding strategies mostly select for optimal growth, yield and quality of food or feed in combination with intensive pesticide use, potentially crippling the plant immune system. Metacaspases now emerge as potential targets for improved breeding techniques and better crop immunity.
Publication
Damage on plants activates Ca2+-dependent metacaspases for release of immunomodulatory peptides, Hander & Fernández-Fernández et al., Science 2019
Funding
Financing – granting bodies that co-funded this research, Swiss National Science Foundation, Research Foundation-Flanders (FWO), Ghent University Special Research Fund
Planten-immuniteit, op maat geknipt
Een internationaal team wetenschappers uit Gent (VIB-UGent) en Basel (Universiteit van Basel, Zwitserland) heeft een link ontdekt tussen een groep enzymen en signalen in het immuunsysteem van planten. Deze nieuwe inzichten in het planten-immuunsysteem kunnen leiden tot de ontwikkeling van verbeterde gewassen en een toegenomen verantwoorde voedselproductie.
Wanneer cellen beschadigd worden, zenden ze alarmsignalen uit. Dit gebeurt in alle meercellige organismen, van planten tot mensen. Deze signalen activeren het immuunsysteem zodat dit infecties kan voorkomen, weefsels herstellen, en wonden genezen. In planten spelen korte eiwitfragmenten, of peptiden, hier een belangrijke rol in. Deze peptiden worden gemaakt uit ‘voorloper-eiwitten’ die op maat geknipt worden door proteasen, een specifiek soort enzymen.
Er zijn echter honderden van die proteasen, wat betekent dat het belangrijk is om te identificeren welke proteasen nu precies een rol vervullen in het planten-immuunsysteem. Door het verwonden van bladeren van de veelgebruikte laboratoriumplant Arabidopsis thaliana, konden de teams van prof. Frank Van Breusegem en prof. Kris Gevaert (beiden VIB-UGent), en prof. Emeritus Thomas Boller (University of Basel), vaststellen dat een klasse proteasen, gekend als metacaspasen, een belangrijke rol speelt in de planten-immuniteit. Deze metacaspasen staan onder controle van calcium en reguleren de vrijlating van immuun-stimulerende peptiden van het voorloper-eiwit PROPEP1. Om hun ontdekking te controleren, gebruikten de onderzoekers een plant met een mutatie in het gen van een belangrijk metacaspase. Deze plant kon geen immuunsignalen meer uitsturen. Dit bevestigde de bevindingen van de teams.
Om beter te begrijpen hoe snel en wijdverspreid het immuunsysteem in Arabidopsis werkt, beschoot de wetenschapper die het onderzoek leidde, dr. Simon Stael, de wortels van het Arabidopsis plantje met precisie-lasers. De reactie bleef niet lang uit. Volgens Simon Stael (VIB-UGent): “We waren dol enthousiast toen we zagen hoe snel de calciumgolven en PROPEP1-signalen mekaar opvolgden na de eerste lasersalvo’s.” Het nieuw ontdekte proces kan als volgt samengevat worden: schade leidt tot hoge calciumniveaus in de cellen en dit activeert de metacaspasen. Deze metacaspasen bewerken PROPEP1, wat op zijn beurt de immuunreactie reguleert en de schade probeert te beperken.
Aangezien proteasen vaak meer dan één type eiwit bewerken, roept deze ontdekking een heleboel nieuwe vragen op. Welke andere processen in planten worden bijvoorbeeld nog beïnvloed door metacaspasen? Het is nu ook aangetoond dat we lasers kunnen gebruiken om heel gedetaileerd meer te leren over hoe planten reageren op schade. Maar vooral: gewasteelt heeft voornamelijk tot doel om een optimale groei, opbrengst en kwaliteit te garanderen, waarbij het soms verzwakte immuunsysteem wordt gecompenseerd door het gebruik van pesticiden. Dit onderzoek toont dat metacaspasen mogelijk op lange termijn gebruikt kunnen worden om verbeterde gewassen te kweken en het immuunsysteem van planten te versterken.
Topics
Species
