Onderzoekers in Gent, Basel en Freiburg denken te weten welke rol een metacaspase speelt in de immuunrespons van plantencellen.

Wanneer je heel gericht het celmembraan van een opperhuidcel op het worteltje van een Arabidopsis thaliana-kiemplantje met een laser kapotschiet, lekken calciumionen het cytosol in. Die ionen activeren in elk geval het enzym meta­caspase4 (MC4). Binnen een halve minuut na de beschadiging knipt dit protease het signaalpeptide Pep1 los van een precursorpeptide dat verankerd zit aan het vacuolemembraan. Dit Pep1 verlaat deels de beschadigde cel om naastgelegen buurcellen te waarschuwen.

Dit proces beschreven de onderzoekers van onder meer het Vlaams Instituut voor Bio­technologie-UGent die deze stunt uithaalden onlangs in Science. Uit eerder onderzoek aan dit peptide in Arabidopsis was al bekend dat Pep1 onder meer een rol speelt bij de inductie van planteigen fungiciden (defensines) en de productie van waterstofperoxide in reactie op infectie met pathogenen.

Simpel mechanisme

Het biologisch mechanisme dat uit het onderzoek naar voren komt, lijkt simpel, beaamt Simon Stael, die als postdoctoraal onderzoeker aan het VIB-UGent Center for Plant Systems Biology in Gent verantwoordelijk is voor de ontwikkeling van de zeer precieze laser wounding-methode. Toch kostte het het onderzoeksteam van het VIB-UGent, de universiteit van Basel en de universiteit van Freiburg volgens Stael zo’n zes jaar om dit deel van de signaalcascade zicht­-baar te maken.

Stael: ‘In intacte cellen is de calciumconcentratie een stuk lager dan in de omgeving. Metacaspase4 is de meest abundante metacaspase in Arabidopsis en is voor de werking afhankelijk van een verhoogde calciumconcentratie, dus dat die een rol zou spelen lag voor de hand. Maar wij misten een goede trigger om de metacaspase aan te zetten, zodat we het proces in realtime onder de confocale microscoop konden blijven volgen.’ Ander onderzoek met synthetisch Pep1 had aangetoond dat overdosering van Pep1 sterke groeiremming geeft en dat je dus bij lage concentraties moet kijken naar de biologische activiteit.

‘We misten een goede trigger om de metacaspase aan te zetten’

Confocale microscopie

De zeer gerichte laser wounding van enkele celmembranen door Stael en collega’s zorgde ervoor dat natuurlijke concentraties Pep1 vrijkwamen in het cytosol van alleen de direct geraakte cellen. Bovendien was dit proces zodanig mild voor het te onderzoeken sample, dat de gevolgen goed te volgen bleven met confocale microscopie. In de direct geraakte cellen konden de onderzoekers ook de influx meten van calciumionen naar een niveau hoog genoeg om MC4 te activeren. In cellen die iets verder van de beschadiging verwijderd lagen, deed zich die calciumpiek niet voor en knipte MC4 Pep1 niet los van pre­cursor­­eiwit PROPEP1 aan het vacuole-membraan.

Volgens de auteurs is het mogelijk dat bepaalde componenten van het verdedigingssysteem dat zij blootlegden in sommige landbouwgewassen verloren zijn gegaan door veredeling op opbrengst. Hierop zou je kunnen letten bij plantenveredeling in de toekomst. Voor Stael blijft de uitdaging vooral fundamenteel: ‘Van immuun- en stressresponsen bij planten is aanzienlijk minder bekend dan van de vergelijkbare responsen bij mensen en dieren. Er is wel veel kennis, maar nog weinig is al specifiek in kaart gebracht.’