angol-magyar
kétnyelvű tudományos folyóirat
HUN / ENG

Cikk letöltése PDF formátumban

Sejthalál a növényvédelemben: az élelmiszer-ellátás biztonságának növelése molekuláris biológiai módszerekkel

DOI

Érkezett: 2022. október – Elfogadva: 2022. november

Szerzők

1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék

Kulcsszavak

programozott sejthalál, harpin fehérjék, akrolein, ferroptózis-szerű sejthalál, hőstressz

1. Összefoglalás

A mezőgazdaság fontos feladata a növények védelme a patogének által kiváltott biotikus és a környezeti hatások által kiváltott abiotikus stresszel szemben. A patogénekkel szembeni védekezés hagyományosan kémiai növényvédő szerekkel történik, amelyek károsíthatják a környezetet és az egészségünket, így komoly igény merül fel arra, hogy ezeket környezetbarát anyagokra cseréljük. Ígéretes biopeszticidek lehetnek a kutatócsoportunk által is tanulmányozott elicitor hatású harpin fehérjék. Ezek a fehérjék valódi patogénfertőzés nélkül váltanak ki immun-választ a növényekben, ezzel fokozva az ellenállóképességüket, valamint egyéb előnyös hatásaikat is leírták már, úgy, mint az intenzívebb növekedés vagy a nagyobb terméshozam. Ezen fehérjék egyelőre nem teljesen tisztázott hatásmechanizmu-sainak jobb megértése segítheti a hatékonyabb biopeszticidek fejlesztését. A Föld átlaghőmérsékletének emelkedésével egyre nagyobb szerep juthat a hőstressz hatására beinduló ferroptózis-szerű sejthalálnak is. Ennek az először 2017-ben leírt sejthalálfolyamatnak a pontos molekuláris mechanizmusa még nem ismert, azonban eredményeink arra utalnak, hogy a reaktív karbonilvegyületek – köztük az akrolein – mediátor szerepet játszhatnak benne. A ferroptózis-szerű sejthalál irodalmi adatok alapján a patogéntámadás hatására bekövetkező hiperszenzitív sejthalálban is szerepet játszik, így a sejthalálfolyamat jobb megértése egyszerre segítheti a biotikus és az abiotikus stresszel szembeni védekezést.

2. Bevezetés

A növények védelme a patogének által kiváltott biotikus és a kedvezőtlen környezeti hatások által kiváltott abiotikus stresszel szemben fontos, és egyre nagyobb kihívást jelent a mezőgazdaság számára. Ezért fontossá vált, hogy a molekuláris biológia eszköztárát is felhasználva jobban megismerjük a növények és a növényi sejtek biokémiáját, ezzel elősegítve új, hatékonyabb védekezési módok kidolgozását, és a növények stressztűrő képességének fokozását, ezzel növelve az élelmiszer-ellátás biztonságát.

3. Harpinek a növényvédelemben

Problémát jelent, hogy a biotikus stresszel szemben jelenleg főleg kémiai növényvédő szerekkel védekezünk, amelyek egy része hosszútávú és súlyos környezeti hatásokat okozhat. Ezért több törekvés irányul arra, hogy ezeket környezetbarát biopeszticidekre cseréljük. A biopeszticidek fejlesztésének egyik ígéretes vonala lehet az elicitor (aktivációs szignál) hatású harpin fehérjék alkalmazása. A harpinek olyan savas, hőstabil, cisztein szegény, de glicinben és leucinban gazdag fehérjék, amelyeket a III-as típusú szekréciós rendszerrel rendelkező baktériumok, mint pl. a Pseudomonas syringae és az Erwinia amylovora termelnek [1, 2, 3]. A termelő törzsből kinyert, tisztított harpin fehérjék kis koncentrációban alkalmazva (~100 nM), vagy a növényi sejtekben expresszálva fokozzák az immunválasz-gének expresszióját, amelyek hatására a növény ellenállóbbá válik a patogénekkel szemben. Ezen felül a harpinekkel kezelt növényekben további előnyös hatásokat figyeltek meg, úgy mint a nagyobb terméshozam és az intenzívebb növekedés [4].

A harpinek jótékony hatásainak pontos oka jelenleg még nem ismert, azonban kutatócsoportunk korábbi eredményei arra utalnak, hogy Arabidopsis thaliana szuszpenziós sejtkultúrákban harpin kezeléssel biotikus stressz váltható ki. Ennek során úgynevezett oxidatív kitörés következik be a sejtekben, amely a reaktív oxigénvegyületek (ROS) mennyiségének ugrásszerű és jelentős megnövekedésével jár, és ennek hatására indukálódik az antioxidáns rendszerük. Eredményeink alapján az aszkorbinsav bioszintézisének sebességmeghatározó lépését katalizáló VTC2 és 5 enzimek expressziója, valamint a bioszintézis utolsó lépését katalizáló L-galaktono-1,4-lakton-dehidrogenáz (GLDH) enzim expressziója és aktivitása megnő, és –feltehetően az előzőek miatt– a sejtek aszkorbinsav tartalma is fokozódik. Kimutattuk továbbá, hogy a növényi antioxidáns-rendszer központi elemét képző aszkorbát-glutation ciklus enzimeinek aktivitása is fokozódik [5]. Ezek alapján tehát a harpin fehérjékkel valódi patogén fertőzés nélkül váltható ki biotikus stressz a növényekben, amely –többek között– indukálja a növényi antioxidáns rendszert, ezzel fokozva a valódi patogénekkel szembeni ellenállóképességet.

4. A ferroptózis-szerű sejthalál

A harpinek magasabb (>250 nM) koncentrációban ún. hiperszenzitív sejthalált váltanak ki a kezelt növényekben [3–5]. Hiperszenzitív sejthalál a természetben akkor következik be, amikor egy növény rezisztens az adott patogénre (inkompatibilis interakció). Ilyenkor a növényi immunrendszer felismeri a patogént, és gyorsan, programozott módon elpusztítja a saját megtámadott sejtjeit annak érdekében, hogy a növény egészét megvédje. 2019-ben Dangol és munkatársai leírták, hogy a rizs (Oryza sativa) és Magnaporthe oryzae gomba inkompatibilis reakciója során bekövetkező hiperszenzitív sejthalálra lipidperoxidáció, valamint a ROS és vas(III)-ionok akkumulációja jellemző. A vaskelátor deferoxaminnal és a lipofil antioxidáns ferrostatin-1-gyel kezelve a sejteket azonban megakadályozható volt a vasfüggő ROS akkumuláció és a lipidperoxidáció, amely a hiperszenzitív reakció teljes megszüntetéséhez vezetett. Ezek alapján Dangol és munkatársai azt feltételezik, hogy az inkompatibilis növény-patogén interakció során szerepet játszik ún. ferroptózis-szerű sejthalál is [6].

A ferroptózis emlőssejtek vasfüggő, kaszpáz-független programozott sejthalálformája, amelyet először 2012-ben írtak le [7]. A ferroptózis egyedi, a többi sejthalálformától eltérő morfológiai és biokémiai markerekkel bír, továbbá specifikus induktorait (pl. erastin és RSL3), valamint gátlószereit (pl. ferrostatin-1) is azonosították már. A sejthalálfolyamat a celluláris glutation erastin általi depléciójával, vagy a lipidperoxidok eliminációjában kulcsszerepet játszó glutation peroxidáz 4 (GPX4) enzim gátlásával váltható ki. A beinduló folyamatra – az indukció módjától függetlenül – fokozott ROS termelés, nagyfokú lipidperoxidáció és az intracelluláris szabad vas megemelkedése jellemző. Ezen tulajdonságainak köszönhetően a ferroptózis folyamata lipofil antioxidánsokkal (pl.: ferrostatin-1, liproxstatin-1, α-tokoferol) és vaskelátorokkal (pl.: deferoxamin) is felfüggeszthető [8].

Distéfano és munkatársai 2017-ben egy, a ferroptózishoz nagyon hasonló sejthalálfolyamatot írtak le növényeken [9]. A kutatók 10 percig tartó 55 °C-os hőkezelésnek vetettek alá Arabidopsis thaliana gyökérszőröket, és azt találták, hogy a hőkezelés hatására sejtpusztulás következik be, valamint a glutation-szint csökkenését és a mitokondriumok zsugorodását figyelték meg, amely a ferroptózis egyedi morfológiai markere emlőssejtekben. A szerzők azt is kimutatták, hogy a hőstressz által kiváltott sejthalál mértéke a ferroptózis gátlószer ferrostatin-1-gyel vagy ciklopirox olaminnal (vaskelátor) előkezelt gyökérszőrök esetében szignifikánsan csökkent.

Ugyanezen inhibitoroknak azonban nem volt hatása erősebb, 77 °C-os hőstressz, H2O2 kezelés vagy sóstressz esetén. Nem volt hatása az inhibitoroknak a vaszkuláris differenciáció és a fejlődés során bekövetkező további programozott sejthalálfolyamatokra sem. Ezek alapján arra következtetnek a szerzők, hogy a közepes mértékű hőstressz által kiváltott sejthalál egyedi folyamat a növényekben, és a ferroptózishoz mutatott nagyfokú hasonlósága alapján ferroptózis-szerű sejthalálnak nevezték el azt. Fontos azonban kiemelni, hogy a ferroptózis-szerű sejthalál, szemben az emlőssejtek kaszpáz-független ferroptózisával, minden jel szerint egy kaszpáz-szerű proteázfüggő folyamat (1. ábra) [9, 10, 11].

1. ábra. A ferroptózis-szerű sejthalál feltételezett mechanizmusa

Az 1. ábrán látható, hogy a ferroptózis-szerű sejthalál fontos eleme a nagymértékű lipidperoxidáció, amely bekövetkezhet lipoxigenáz (LOX) enzimek által katalizált módon, vagy nem enzimes módon. A nem enzimes lipipdperoxidációért a nagyreaktivitású hidroxilgyök (HO•) felelős, amely a biotikus vagy abiotikus stressz hatására keletkező hidrogén-peroxid (H2O2) és az intracelluláris szabad vas reakciójából (Fenton reakció) keletkezik. Az említett tulajdonságok miatt a ferroptózis-szerű sejthalál felfüggeszthető vaskelátorokkal (pl. ciklopirox olamin (CPX); deferoxamin (DFO)), lipofil antioxidánsokkal (pl. liproxstatin-1 (Lip-1); ferrostatin-1 (fer-1)), valamint lehetséges, hogy lipoxigenáz gátlószerekkel (pl. nordihidro-gvajarétsav (NDGA)) is. Ferroptózis-szerű sejthalál kiváltható még a – fiziológiás körülmények között is termelődő – lipidperoxidok eliminációjában szerepet játszó, feltehetően glutation peroxidáz enzimek RSL3 általi gátlásával is. A sejthalál lipidperoxidációt követő mechanizmusa még nem ismert, lehetséges azonban, hogy a lipidperoxidok fragmentációja révén keletkező reaktív karbonilvegyületek mediátor szereppel bírnak a sejthalálfolyamatban a fehérjék karbonliációja, ezáltal funkciójuk megváltoztatása révén. Az egyik ilyen reaktív karbonilvegyület az akrolein, amelyről ismert, hogy a növényi programozott sejthalálfolyamatokban szerepet játszó kaszpáz-szerű proteázok aktivátora.

A ferroptózis és a ferroptózis-szerű sejthalál lipidperoxidációt követő pontos molekuláris mechanizmusa jelenleg még nem ismert. Ismert azonban, hogy a lipidperoxidok fragmentációja révén reaktív karbonilvegyületek keletkeznek, és lehetséges, hogy ezek részt vesznek a sejthalál kiváltásában a fehérjék karbonilálása és ezáltal funkciójuk megváltoztatása révén. Az egyik ilyen reaktív karbonilvegyület az akrolein, amely BY-2 dohánysejtekben glutation (GSH) depléciót és ROS termelést indukál, aktiválja a kaszpáz-3-szerű proteázokat, majd végül sejthalált okoz [12]. Ezek az eredmények nagyban hasonlítanak a hőkezelés hatására bekövetkező ferroptózis-szerű sejthalál során megfigyeltekhez, így kutatócsoportunkban felmerült, hogy az akrolein mediátor szereppel bírhat a ferroptózis-szerű sejthalálban.

Munkánk során akroleinnel és az ismert ferroptózis induktor RLS3-mal kezeltünk Arabidopsis thaliana szuszpenziós sejtkultúrákat, ferroptózis gátlószerek jelenlétében és azok hiányában is [10]. Eredményeink azt mutatják, hogy az akrolein által kiváltott sejthalál szignifikáns mértékben csökkenthető az olyan ismert ferroptózis gátlószerekkel előkezelve a sejteket, mint a ferrostatin-1, a deferoxamin, az α-tokoferol, vagy a GSH. A ferroptózis induktor RSL3-mal kezelve az Arabidopsis sejteket hasonló inhibitor profilt kaptunk, mint az akrolein esetében, valamint a reaktív karbonilvegyület kötő dipeptid, a karnozin mind az akrolein, mind az RSL3 által kiváltott citotoxicitást szignifikánsan csökkenteni tudta. Mindezekből arra következtethetünk, hogy az akrolein által kiváltott sejthalál legalább részben a ferroptózis-szerű útvonalon történik. Az általános kaszpázinhibitor, a Z-VAD-FMK alkalmazásával pedig kimutattuk, hogy a ferroptózis-szerű sejthalához a kaszpáz-szerű proteázok aktivitására is szükség van, amely fontos különbség az emlőssejtek kaszpázfüggetlen ferroptózisához képest (1. ábra).

5. Kitekintés

A Föld átlaghőmérsékletének emelkedésével feltehetőleg egyre nagyobb szerepet fog játszani a növények életében a hőstressz és a hőstressz hatására beinduló ferroptózis-szerű sejthalál. Ennek a sejthalálfolyamatnak a tanulmányozásával és jobb megértésével lehetőségünk nyílhat az azzal szembeni célzott védekezésre és így haszonnövényeink hőstressz-tűrő képességének növelésére.

Felmerülhet a kérdés, hogy a termotoleráns, sivatagi növények miképpen védekeznek a ferroptózis-szerű sejthalál ellen. Az USA és Mexikó sivatagjaiban élő kreozot bokor (Larrea tridentata) levelei például nagymennyiségű nordihidro-gvajarétsavat (NDGA) tartalmaznak, amely egy általános lipoxigenáz gátló hatású lignán. A ferroptózisról már korábban leírásra került, hogy a lipoxigenázok fontos szerepet játszanak a sejthalálfolyamatban a lipidperoxidáció enzimes katalízise révén, így a lipoxigenáz inhibitoroktól ferroptózis-gátló hatás várható. Emlőssejteken már igazolták is az NDGA ferroptózis-gátló hatását, növényeken azonban még nem végeztek ilyen irányú kísérleteket [13,14].

Ahogy azt fentebb említettük, a ferroptózis-szerű sejthalálnak szerepe van a patogén támadás esetén beinduló hiperszenzitív reakcióban is, így a ferroptózis-szerű sejthalál jobb megértése a hatékonyabb biopeszticidek fejlesztése szempontjából is kiemelt fontosságú lehet, így kutatásunk egyszerre segítheti az abiotikus és a biotikus stresszel szembeni védekezést is.

6. Köszönetnyilvánítás

A szerzők munkáját a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal K 123752, 2018-1.2.1-NKP-2018-00005, RRF-2.3.1-21-2022-00015, és TKP2021-EGA-02. azonosítószámú pályázatai támogatták.

7. Irodalom

[1] Livaja, M.; Zeidler, D.; von Rad, U.; Durner, J. (2008) Transcriptional Responses of Arabidopsis Thaliana to the Bacteria-Derived PAMPs Harpin and Lipopolysaccharide. Immunobiology 213, (3–4), 161–171, DOI

[2] Livaja, M.; Palmieri, M.C.; von Rad, U.; Durner, J. (2008) The Effect of the Bacterial Effector Protein Harpin on Transcriptional Profile and Mitochondrial Proteins of Arabidopsis Thaliana. J. Proteomics 71, (2), 148–159, DOI

[3] Chuang, H. wen; Chang, P.Y.; Syu, Y. yu (2014) Harpin Protein, an Elicitor of Disease Resistance, Acts as a Growth Promoter in Phalaenopsis Orchids. J. Plant Growth Regul. 33, (4), 788–797, DOI

[4] Choi, M.-S.; Kim, W.; Lee, C.; Oh, C.-S. (2013) Harpins, Multifunctional Proteins Secreted by Gram-Negative Plant-Pathogenic Bacteria. Mol. Plant. Microbe. Interact. 26, (10), 1115–1122, DOI

[5] Czobor, Á.; Hajdinák, P.; Szarka, A. (2017) Rapid Ascorbate Response to Bacterial Elicitor Treatment in Arabidopsis Thaliana Cells. Acta Physiol. Plant. 39, (2), 62, DOI

[6] Dangol, S.; Chen, Y.; Hwang, B.K.; Jwa, N. (2019) Iron- and Reactive Oxygen Species-Dependent Ferroptotic Cell Death in Rice- Magnaporthe Oryzae Interactions. Plant Cell 31, (1), 189–209, DOI

[7] Dixon, S.J.; Lemberg, K.M.; Lamprecht, M.R.; Skouta, R.; Zaitsev, E.M.; Gleason, C.E.; Patel, D.N.; Bauer, A.J.; Cantley, A.M.; Yang, W.S.; et al. (2012) Ferroptosis: An Iron-Dependent Form of Nonapoptotic Cell Death. Cell 149, (5), 1060–1072, DOI

[8] Hirschhorn, T.; Stockwell, B.R. (2019) The Development of the Concept of Ferroptosis. Free Radic. Biol. Med. 133, 130–143, DOI

[9] Distéfano, A.M.; Martin, M.V.; Córdoba, J.P.; Bellido, A.M.; D’Ippólito, S.; Colman, S.L.; Soto, D.; Roldán, J.A.; Bartoli, C.G.; Zabaleta, E.J.; et al. (2017) Heat Stress Induces Ferroptosis-like Cell Death in Plants. J. Cell Biol. 216, (2), 463–476, DOI

[10] Hajdinák, P.; Czobor, Á.; Szarka, A. (2019) The Potential Role of Acrolein in Plant Ferroptosis-like Cell Death. PLoS One 14, (12), e0227278, DOI

[11] Distéfano, A.M.; López, G.A.; Bauer, V.; Zabaleta, E.; Pagnussat, G.C. (2022) Ferroptosis in Plants: Regulation of Lipid Peroxidation and Redox Status. Biochem. J. 479, 857–866.

[12] Biswas, M.S.; Mano, J. (2016) Reactive Carbonyl Species Activate Caspase-3-like Protease to Initiate Programmed Cell Death in Plants. Plant Cell Physiol. 57, (7), 1432–1442, DOI

[13] Probst, L.; Dächert, J.; Schenk, B.; Fulda, S. (2017) Lipoxygenase Inhibitors Protect Acute Lymphoblastic Leukemia Cells from Ferroptotic Cell Death. Biochem. Pharmacol. 140, 41–52, DOI

[14] Galluzzi, L.; Vitale, I.; Aaronson, S.A.; Abrams, J.M.; Adam, D.; Agostinis, P.; Alnemri, E.S.; Altucci, L.; Amelio, I.; Andrews, D.W.; et al. (2018) Molecular Mechanisms of Cell Death: Recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death 2018. Cell Death Differ. 25, (3), 486–541, DOI

Legfrissebb szám



Támogató és együttműködő partnereink

TÉMAKERESÉS