Crosstalk of ancient pathways : Phosphoinositides link receptor-triggered MAP-kinase signalling to membrane trafficking in Arabidopsis

Abstract

Pflanzenzellen besitzen Oberflächenrezeptoren, die Reize aus der Umwelt wahrnehmen und an in biochemische Signale umwandeln. Die Rezeptor-ähnliche Kinase FLAGELLIN-SENSING 2 (FLS2) aus Arabidopsis bindet an das Flagellum bakterieller Pathogene und aktiviert eine Mitogen-aktivierte Proteinkinase (MAP-Kinase) Kaskade inklusive der MAP-Kinasen MPK3/MPK6 um eine Immunantwort auszulösen. Diese Immunantwort beinhaltet die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) durch Plasmamembran-ständige NADPH-Oxidasen. In vorangegangenen Studien in Pollenschlauchzellen konnte gezeigt werden, das MPK6 die Phosphatidylinositol 4-phosphat Kinase PIP5K6 phosphoryliert und die Produktion von Phosphatidylinositol 4,5-bisphosphat (PtdIns4,5P2) durch das Enzym inhibiert. PtdIns4,5P2 reguliert unter anderem die Clathrin-vermittelte Endozytose an der Plasmamembran eukaryotischer Zellen. Die Daten, aus den für diese Arbeit durchgeführten Experimenten, zeigen, dass die Erkennung eines künstlichen FLS2-aktivierenden Peptids, flg22, oder die histochemische Aktivierung einer MAP-Kinase Kinase, MKK5, zu einer MAPK6-vermittelten Phosphorylierung und Inhibition von PIP5K6 in vegetativen Zellen führt. Die verminderte Produktion von PtdIns4,5P2 führte zu einer geringeren Endocytoserate der NADPH-Oxidase RESPIRATORY OXIDATIVE BURSTE HOMOLOGUE D (RbohD). Weiterhin konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die Stabilisierung von RbohD an der Plasmamembran infolge der flg22-induzierten Inhibition von ektopisch expremiertem PIP5K6 Protein für die ROS-Produktion essentiell war. Dieser Effekt konnte nicht beobachtet werden, wenn PIP5K2 expremiert wurde. Die zusammengefassten Ergebnisse dieser Dissertation zeigen Beweise auf, dass PIP5K6 ein Substrat einer FLS2-gekoppelten MAP-Kinase Kaskade inklusive MPK6 ist um den Endomembranverkehr von Plasmamembranproteinen zugunsten einer effektiven Immunantwort zu reprogrammieren.

Plant cells perceive and transduce signals from environmental cues using surface receptor-coupled signalling cascades. In Arabidopsis, the receptor-like kinase FLAGELLIN-SENSING 2 (FLS2) binds to Flagellin of bacterial pathogens and activates a Mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascade that includes MPK3/MPK6 to trigger innate immune responses including production of reactive oxygen species (ROS) by plasma membrane localized NADPH-oxydases. An MAPK MPK6 was shown previously to phosphorylate a Phosphatidylinositide 4-phosphate kinase PIP5K6 in a non-pathogenic manner leading to a reduced production of the phosphoinositide phosphatidylinositol (4,5)-bisphosphate (PtdIns4,5P2) from the precursor phosphatidylinositol 4-phosphate (PtsIns4P) by the enzyme. PtdIns4,5P2 acts as a regulator of clathrin-mediated endocytosis (CME) at the plasma membrane of eukaryotic cells. This thesis gives experimental evidence that perception of flg22, an artificial FLS2 epitope peptide, and/or activation of the upstream MAPK MKK5 leads to MPK6-mediated phosphorylation and inhibition of PIP5K6 in vegetative tissue. The reduced production of PtdIns4,5P2 leads to a decreased rate in PtdIns4,5P2-depandent CME of the NADPH-oxidase RESPIRATORY OXIDATIVE BURSTE HOMOLOGUE D (RbohD). Furthermore, experiments in this thesis show that the stabilization of RbohD upon the flg22-triggered inhibition of ectopically expressed PIP5K6 but not PIP5K2 is required for efficient ROS production. The combined data give strong evidence that PIP5K6 is a target of pathogen defence-related MAPK-signalling to regulate endocytotic recycling of plasma membrane proteins towards plant immune response.