A növényi betegségekkel szembeni rezisztencia transzláció utáni módosításainak megértése és kiaknázása 1. rész

Absztrakt:

A növényeket folyamatosan fenyegetik a kórokozók, ezért komplex védekező jelzőhálózatokat fejlesztettek ki a kórokozók támadásainak leküzdésére. A poszttranszlációs módosítások (PTM) alapvető fontosságúak a növényi immunitás szempontjából, lehetővé téve a gyors és dinamikus válaszokat a megfelelő időben. A PTM szabályozás elengedhetetlen; a patogén effektorok gyakran megzavarják a PTM-eket, hogy megpróbálják elkerülni az immunválaszokat.

Itt bemutatjuk a kórokozókkal szembeni betegségekkel szembeni rezisztencia mechanizmusait, valamint azt, hogy a növekedés és a védekezés hogyan egyensúlyban van, a PTM-ek alapvető szerepére összpontosítva. A védelmi vonatkozású PTM-ek megváltoztatása lehetőséget ad a molekuláris kölcsönhatások finomhangolására, hogy betegségekkel szemben ellenálló növényeket hozzon létre anélkül, hogy kompromisszumot kellene kötni a növekedésben és a fittségben.

Az ellenállási mechanizmusok szorosan kapcsolódnak az immunitáshoz. Az ellenállási mechanizmusok közé tartozik a szervezet védekező rendszere a baktériumokkal, vírusokkal és más idegen anyagokkal szemben, beleértve a bőr- és nyálkahártya-gátakat, a nem specifikus sejtvédelmet, a gyulladásos válaszokat és a specifikus immunvédelmet. Az ellenállás szorosan összefügg az immunitással. A mindennapi életünk során az immunitást is javítanunk kell. A húspép számos biológiailag aktív összetevőt tartalmaz, például poliszacharidokat, gombát és sárga liliomot. Ezek az összetevők serkenthetik a különböző típusú sejtek immunrendszerét, fokozva immunaktivitásukat.

Kattintson a cistanche deserticola kiegészítésre

Kulcsszavak:

fordítás utáni módosítások; növényi immunitás; foszforiláció; ubiquitináció; SUMOiláció; védelem.

1. Bemutatkozás

A növények növekedését és túlélését folyamatosan fenyegeti a biotikus stressz, beleértve a vírusokból, baktériumokból, gombákból és kromostákból álló növényi kórokozókat. A mezőgazdasággal összefüggésben a kórokozók miatti terméskiesés a becslések szerint világszerte körülbelül 20 százalék az alapnövényekben [1]. Egyre növekszik a kártevők és betegségek terjedése új környezetbe: az éghajlatváltozással összefüggő szélsőségesebb időjárási események kedvező környezetet teremtenek az élelmiszer- és víz útján terjedő kórokozók számára [2,3].

A kórokozók által okozott termésveszteség jelentős becslései rávilágítanak arra, hogy olyan növényeket kell kifejleszteni, amelyek betegségrezisztens tulajdonságokkal rendelkeznek a jelenlegi és a kialakuló kórokozókkal szemben. A növényvédelmi módszerek alacsony hatékonysággal rendelkeznek a kórokozókkal szemben, ideértve a rovarok vírusátadását gátló fungicideket és rovarölő szereket; sőt az ezekkel a vegyi anyagokkal szembeni ellenállás növekszik [4,5]. A rezisztencia arra utal, hogy a kórokozó nem képes teljes életciklusát az adott növényfajon [6]; a gazdaszervezet rezisztenciájának javítása érdekében történő megcélzása a leggazdaságosabb és leghatékonyabb módszer a betegségek miatti termésveszteség csökkentésére [7–9].

A növekvő probléma újszerű megoldásainak kidolgozása megköveteli a növényvédelmi mechanizmusok mélyebb megértését. A génexpresszión és a transzkriptomikán túl a proteomika különösen hasznos, mivel képes közvetlenül mérni a relatív fehérjebőséget, valamint kimutatni a poszttranszlációs módosulásokat (PTM) [10]. A PTM-ek aktiválhatják, deaktiválhatják vagy megváltoztathatják a fehérje funkcióját, hogy kiváltsák vagy gyengítsék a specifikus növényi válaszokat. A fehérjeszintű elemzés feltárhatja a kórokozó-gazda célpontokat, a fehérjeforgalmat és a fehérje-fehérje kölcsönhatásokat a védekező jelátvitelben a növények immunitásának módosítása és fokozása érdekében [11]. Ez az áttekintés felvázolja a PTM-ek immunitásban betöltött funkcióit és a PTM-ek manipulálásának lehetőségét a betegségekkel szembeni rezisztencia fokozása érdekében.

2. A növényvédelem keretei

Ülő természetük miatt a növények nagymértékben támaszkodnak a biotikus és abiotikus stresszekkel szembeni kémiai védekezésre [11]. A növényeket folyamatosan kihívják a biotikus stresszek: a kórokozó fertőzés károsítja a növények növekedését, szaporodását és túlélését. A növények védekező rendszerrel rendelkeznek a kórokozók támadásainak leküzdésére vagy csökkentésére, amelyek magukban foglalják a kórokozók bejutását megakadályozó fizikai akadályokat, valamint a kórokozók támadásaira való veleszületett immunrendszert [12].

Az indukálható növényi veleszületett immunrendszer a PAMP által kiváltott immunitásból (PTI) és az effektor által kiváltott immunitásból (ETI) tevődik össze, amelyek jelentős átfedésben vannak (1. ábra) [13–16]. Az Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) domináns modellrendszer a védelmi jelátviteli útvonal molekuláris eseményeinek tanulmányozására, de a teljes rendszer konzervált egyszikűekben és kétszikűekben [17]. A kórokozókkal összefüggő molekuláris mintázatként (PAMP) ismert mikrobákból származó konzervált molekuláris szerkezeteket sejtfelszíni mintázatfelismerő receptorok (PRR-ek) ismerik fel, és ezáltal downstream immunválaszokat váltanak ki [13,18,19]. Jól definiált PAMP-PRR kölcsönhatások a bakteriális flagellin peptid flg22 és rokon receptora FLAGELLING-SENSING 2 (FLS2) [20,21], bakteriális elongációs faktor termikus instabil (EFTu) és receptora EF-Tu receptor (EFR) [22, 23], valamint a gombás sejtfal poliszacharid kitin és receptora CHITIN ELICITOR RECEPTOR KINASE 1 (CERK1) [24,25]. Ezek a PRR-ek receptorszerű kinázok, amelyek foszforilációs kaszkádot indítanak el, hogy aktiválják a védekezéssel kapcsolatos enzimeket vagy géneket [26] (1. ábra).

A kórokozó számos effektort választ ki, hogy megzavarja a sejtműködést a fertőzés során. A PAMP-okkal ellentétben az effektorok sokfélék, és fehérjéket, sRNS-eket, vegyi anyagokat, toxinokat és hormonokat tartalmaznak, amelyek fokozzák a kórokozó fertőzését azáltal, hogy előnyösek a kórokozó számára vagy elnyomják a gazdaszervezet védelmét. Az intracelluláris receptorok, az úgynevezett nukleotidkötő domén, a leucinban gazdag ismétlődést tartalmazó fehérjék (NLR-ek, más néven NB-LRR-ek) észlelik a növényi sejtbe szállított specifikus effektorokat, hogy kiváltsák az effektor által kiváltott immunitást (ETI). Az NLR-ek maguk is képesek észlelni az effektorokat, vagy segítőként működnek a jelátvitel kiváltásában [27]. Az NLR-ek észlelése vagy közvetlenül (receptor-ligand modell), vagy a legtöbb esetben közvetetten, a „védő” vagy „csali” mechanizmusokon keresztül történik [28,29]. Az NLR-ek két fő csoportja a Toll-interleukin-1 receptor-szerű nukleotid-kötőhely, a leucinban gazdag ismétlés (TNL) és a tekercselt tekercs (CC)-NBSLRR (CNL) [27,30].

Ezenkívül a lisztharmat 8 (RPW8)-NBS-LRR-ek (RNL) elleni rezisztencia segítő NLR-ként működik [31,32]. Az NLR aktiválás utáni fehérjék közé tartozik a NEM FAJSPECIÁLIS BETEGSÉGREZISZTENSIA 1 (NDR1) és a FOKOZOTT BETEGSÉGRE SZUSCEPTIBILITÁS 1 (EDS1) [33] (1. ábra). Ezek az utak olyan eredményekhez vezetnek, mint a szalicilsav felhalmozódása és a védekező gén aktiválása [34,35].

A PRR-ek és NLR-ek után indukált molekuláris és fiziológiai változások közé tartozik a mitogén által aktivált protein kináz (MAPK) aktiválása, a reaktív oxigénfajták (ROS) termelése, a sztómák záródása, a védekező génexpresszió, a túlérzékeny válasz (HR) és a sejthalál, a kallóz lerakódás és a lignifikáció , a fotoszintézis csökkentése, a PATHOGENESISSEL KAPCSOLATOS (PR) fehérjék fokozott légzése és expressziója, valamint antimikrobiális vegyületek termelődése [10,11,36–38]. A kórokozó észlelése megváltoztatja a hormonszinteket, beleértve a szalicilsavat (SA), amely a biotrófok és a hemi-biotrófok elleni védekezést közvetíti, valamint a jázmonsav (JA)/etilén, amely a nekrotrófok elleni védekezést közvetíti [39].

A növények védekező válaszának megértése az Arabidopsis modellszervezetben vagy a haszonnövényekben nem teljes. Számos tanulmány támaszkodott a genomikra vagy a transzkriptomikára; A transzkripciós változások azonban nem tükrözik a teljes sejtszabályozási folyamatokat, mivel nem veszik figyelembe azokat a poszttranszkripciós folyamatokat, amelyek megváltoztatják az aktív fehérje mennyiségét, a fehérjék szintézisét, lebomlását, feldolgozását és módosítását.

Ezért olyan kiegészítő megközelítésekre van szükség, mint a proteom alapú expressziós profilalkotás, hogy teljes képet kapjunk a növény-patogén kölcsönhatások szabályozó elemeiről [40]. A védelem szinte minden szakaszában fontosak a PTM-ek, amelyek lehetővé teszik a gyors aktiválást és jelzést; A PTM-ek molekuláris kapcsolóként működnek a fehérjefunkciók gyors megváltoztatása érdekében [41,42]. Ez az áttekintés egyéb megközelítések mellett a PTM-eket is figyelembe veszi a termésjavításban. A PTM módosítása árnyaltabb megközelítést kínálhat, és kevesebb hozambüntetést válthat ki, mint a génkiütés vagy a génbejuttatás.

3. A transzláció utáni módosításoknak kritikus szerepük van a védekezésben

A poszttranszlációs módosítások kritikusak a növényvédelmi válaszok szempontjából, és a növények növekedésének és fejlődésének szinte minden aspektusában részt vesznek. A PTM-ek lehetővé teszik a fehérje funkciójának kiterjesztését az elsődleges aminosavszekvencia által meghatározott szerkezete fölé, hogy a fehérje működésének szinte minden jellemzőjét szabályozzák. A PTM-rendszereket számos patogén effektor célozza meg; így a PTM-eket érdemes megvizsgálni a növényekben történő módosítás és hasznosítás szempontjából. Ez a munka a foszforilációra, az ubiquitinációra és a SUMOylációra fog összpontosítani, a leginkább tanulmányozott PTM-ekre, amelyek reverzibilisek (2. ábra). Röviden meg kell említeni az N-mirisztoilezést, az S-acilezést, az S-nitrozilációt, az acetilezést, a glikozilezést, a szulfonálást és a redox módosulást, amelyek szintén szerepet játszanak az immunitásban [42,43], de ebben az áttekintésben nem foglalkozunk velük. A reverzibilitás kulcsfontosságú a fehérjeaktivitás és a védekezési válasz intenzitásának és időtartamának szabályozásához [44].

2. ábra: Transzláció utáni módosítási útvonalak. A foszforiláció a protein kinázok által katalizált folyamat, amelyben a foszfátcsoport (PO4) az ATP-ről a célfehérjén lévő szerin, treonin vagy tirozin oldallánc hidroxilcsoportjaira kerül át. A foszfatázok hidrolizálják a foszfodiészter kötést, hogy eltávolítsák a foszfátcsoportot. Az ubiquitináció az ubiquitin-aktiváló enzimek (E1), az ubiquitin-konjugáló enzimek (E2) és az ubiquitin-protein ligázok (E3) egymás utáni hatását foglalta magában, hogy kovalensen hozzákapcsolják az ubiquitint a céllizinhez.

A különböző ubiquitin rögzítőelemek és lánchosszúságok eltérő funkciót töltenek be; például a K48-kapcsolt tetraubiquitin a fehérjét célozza meg a 26S proteaszómális lebontásban. A deubikvitináló enzimek (DUB) katalizálják a deubiquitinációt. A SUMOiláció analóg az ubiquitinációval, és magában foglalja a SUMO E1, E2 és E3 enzimek szekvenciális hatását, hogy kovalensen hozzákapcsolják a SUMO-t a cél lizinhez. A SUMO-t inaktív prekurzorként szintetizálják, amelynek C-terminális peptidjét egy SUMO proteáz hasítja, amely a diglicin motívumot feltárja. A SUMO proteázok a SUMO eltávolítását is katalizálják.

3.1. Foszforilezés

A foszforiláció az immunitás számos aspektusában kiemelkedően fontos az enzimaktivitás szabályozására és a jelátvitelre. A foszforiláció kulcsfontosságú a PRR downstream válaszokban a foszforilációs kaszkádokon keresztül; A foszforiláció egy gyors és tranziens váltás (2. ábra), és elengedhetetlen az immunjelátvitelben [42]. A ligandum érzékelése számos PRR-ben serkenti a koreceptor BRI1-ASSOCIÁLT RECEPTOR KINÁZ (BAK1) (más néven SOMATIC EMBRYOGENESIS RECEPTOR KINASE 3 (SERK3)) felvételét, amely számos receptorszerű kinázzal, köztük FLS2-vel (RLK) heterodimerizálódik. , BRASSINOSTEROID INSENSITIVE-1 (BRI1) és EFR [45]. A BAK1 differenciálisan foszforilálódik, ha különböző PRR komplexekkel van komplexben [46]. A BOTRYTIS-INDUKÁLT KINASE 1 (BIK1) a BAK1 szubsztrátja, és a pár számos védelmi jelátviteli útvonalon megtalálható. Az autofoszforiláció és a transzfoszforiláció mind a BIK1, mind a BAK1 számára nélkülözhetetlen a jelátvitelben a más downstream komponensekkel való kölcsönhatásban és kölcsönhatásban [45]. A BIK1 disszociációja aktiválja a downstream jelátvitelt, mint például a MAPK kaszkádok aktiválását, a transzkripciós újraprogramozást és a ROS termelést [47,48]. A BIK1 közvetlenül foszforilezi a respirációs burst oxidáz homológ D proteint (RbohD), egy NADPH oxidázt, amely ROS burst-ot termel, hogy sztómazáródást indukáljon, és antimikrobiális molekulaként működjön [49,50].

A BAK1 egy kulcsfontosságú kináz a növényi immunitásban, amely maga is számos foszforilációs hellyel rendelkezik, hogy szabályozza a specifikus kimeneteket, amint azt a mutagenezis vizsgálatok kimutatták. Egyes foszforilációs helyeknek pozitív, másoknak pedig negatív hatásai vannak a BAK1 funkcióra [51,52]. A T455A (treonin-alanin) mutáció megszünteti a BAK1 kináz aktivitását, és a konzervált BAK1 Y403 aminosav fontos az immunreceptor komplex ligandum által indukált aktiválásában [53]. A foszforilációs minták specifikusak a válasz közvetítésére, lehetővé téve a BAK1-nek a védekezés és a brassinoszteroid jelátvitel szabályozását.

Például azt javasolták, hogy a specifikus BAK1 mutáns variánsok BAK1C408Y és BAK1T450A eltérő foszforilációs mintákat váltanak ki specifikus receptorokon. Ezt a következtetést azért vonta le, mert a BAK1C408Y és BAK1T450A mutáns fenotípusok gyengült védekező jelátvitelt mutatnak, de vad típusú (WT)-szerű BAK{10}}közvetített brassinoszteroid (BR) jelátvitelt mutatnak [53,54]. Ezek a fenotípusok különböznek a BAK1 null alléltól; így a specifikus aminosavak egyértelmű mutációi megváltoztathatják a fenotípust [46,55]. Érdekes módon a C408 mutációja csökkentette az Y403 foszforilációját, amit egy specifikus pY403 antitesttel mutattak ki, ami rávilágít arra, hogy a PTM kapcsolódási helyet körülvevő maradékok befolyásolhatják a PTM állapotát [56]. Ez a mutagenezis megközelítés a PTM-et körülvevő potenciálisan mutálódó aminosavak esetében előnyös lehet a PTM-ek stabilizálására/destabilizálására anélkül, hogy blokkolná a PTM-képződést, és bizonyos körülmények között csökkenthető vagy fokozható a kölcsönhatás.

Nyilvánvaló, hogy a foszforiláció központi szerepet játszik a jelátvitelben a védekezésben [57]; az MPK3, MPK4 és MPK6 (MPK3/4/6) MAPK aktivációja az immunrendszer aktivációjának egyik jellemzője, és döntő fontosságú a betegségekkel szembeni rezisztencia kialakításában [58]. Az összes ismert PRR két MAPK-kaszkádot aktivál (1. ábra), amelyek MAPK-kinázból (MKKK), MAPK-kinázból (MKK) és MAPK-okból állnak: MAPKKK3/MAPKKK5-MKK4/MKK5-MPK3/MPK6, amely pozitívan szabályozza védekezés, valamint a MEKK1 - MKK1/MKK2-MPK4, amely negatívan szabályozza az immunválaszokat [58–62]. A downstream szubsztrátok, például a WRKY transzkripciós faktorok foszforilációja transzkripciós változásokat okoz [63]. Például a WRKY33 az MPK3/6 szubsztrátja, amely aktiválja a PHYTOALEXIN DEFICIENT 3 (PAD3) transzkripcióját, amely egy citokróm P450 enzimet (CYP71B15) kódol, amely a kamalexin bioszintézis utolsó lépését hajtja végre, ami anti63-excrobiális hatást okoz. ,64].

Ezenkívül az MPK3/6 aktiválása kritikus fontosságú a fotoszintézis gátlásának bevonásához, hogy elősegítse a ROS felhalmozódását a kloroplasztiszokban és a HR sejthalált [65]. Ezenkívül az MPK4-et a Pseudomonas syringae baktérium III-as típusú HopAI1 effektora célozza meg, és az MKK1 MKK2 2 (SUMM2) NLR-SZUPPRESSOR őrzőjeként működik [66]. A MEKK1-MKK1/2-MPK4 kináz kaszkád megzavarása a SUMM2 NLR fehérje által közvetített konstitutív immunválaszokat eredményez [67].

A reverzibilitás a legfontosabb a foszforilációs állapotok szabályozásában a jelátvitel szabályozásában, a védekezés konstitutív aktiválása növekedési rendellenességekhez vezet [68]. A PRR komplexek, köztük az FLS2-BAK1-BIK1 foszforilációját a 2A TÍPUSÚ PROTEIN FOSZFATÁZ (PP2A) és a 2C TÍPUSÚ PROTEIN FOSZFATÁZ (PP2C) negatívan szabályozza [42,69,70].

Hasonlóképpen, a CERK{0}}INTERACTING PROTEIN PHOSPHATASE 1 (CIPP1) kitin hiányában defoszforilálja a CERK1-et, hogy negatívan szabályozza a CERK1 jelátvitelt [71]. Foszfatázok Az ARABIDOPSIS PHOSPHATASE 2C-ek (AP2C-k) kölcsönhatásba lépnek az MPK3-mal, 4-gyel és 6-tal, és negatívan szabályozzák a veleszületett immunitást a nekrotróf gombakórokozó, a Botrytis cinerea ellen [72,73]. A MAP KINASE PHOSPHATASE1 (MKP1) és a PROTEIN TYROSINE PHOSPHATASE1 (PTP1) a nem megfelelő MPK3/MPK{18}}függő stresszjelzések represszorai [74,75]. Ezenkívül a foszforiláció visszacsatolásos defoszforilációhoz vezethet; például az MKP1-et az MPK6, az MKP1 egyik szubsztrátja foszforilezi [76].

3.2. Ubiquitináció

Az ubiquitin (Ub) kovalensen kötődik a célfehérjék specifikus lizin-maradékaihoz egy enzimatikus kaszkádon keresztül, ami reverzibilis (2. ábra) [77]. A legtöbb ubiquitilált fehérjét, különösen a lizin48(K48)-kapcsolt poliubiquitin láncokkal módosított fehérjéket a 26S proteaszóma lebontja [78,79]. Mindazonáltal az ubikvitinációnak számos funkciója van, beleértve a jelátvitelt, az endocita forgalommal való áramlást stb., a specifikus kötődési kapcsolattól függően [80,81]. Az ubiquitin rendszer a veleszületett immunitáshoz és annak szabályozásához szükséges [82,83].

Például egy K48R (lizin-arginin) változást mutató ubiquitin-variáns expressziója megakadályozza a K48 kötődését (2. ábra), és megváltoztatja a vírusokra adott válaszokat a dohányban [82]. A K48 az egyik leggyakrabban előforduló ubiquitin kötődés, amely ubiquitin által közvetített proteaszómális degradációt okoz, bár más kapcsolatok is szerepet játszhatnak [77,84]. Az ubiquitin gépezet különböző enzimei befolyásolják az immunitást. Az Arabidopsisnak két Ub E1-je van, az UBIQUITIN ACTIVATING ENZYME 1 (UBA1) és az UBA2, amelyek részben redundánsak. Az UBA1 nullmutánsának, a mos1-nek a veleszületett immunitása hibás, míg az uba2 nullmutáns növények nem rendelkeznek immunhibával. Kimutatták, hogy számos rezisztencia (R) fehérje aktiválásához és downstream jelátviteléhez Ub E1 UBA1 szükséges [83].

Számos E3 ubiquitin ligáz vesz részt a növényi immunitásban azáltal, hogy ubiquitinációt hajt végre a célszubsztrátokon [85]. Az ubiquitináció elengedhetetlen a növényi immunrendszer összetevőinek szintjének szabályozásához a fehérjeforgalom révén, hogy elkerüljük a túlzott vagy nem megfelelő válaszokat. Ezt szemlélteti a növényi u-box 13 (pub13) mutáns, amely fokozott immunválaszt mutat a kórokozók támadására vagy az flg22 észlelésére.

A pub13 mutáns azonban autoimmun válaszokat mutat, nevezetesen spontán sejthalált okoz és a ROS felhalmozódását stressz hiányában, ami a PTM szabályozás fontosságát mutatja [86]. Kimutatták továbbá, hogy az FLS2-t specifikusan poliubiquitinálja az ubiquitin E3 PUB12/13 ligázok, amelyek az FLS2 lebontását célozzák. Érdekes módon a BAK1 általi foszforiláció aktiválja a PUB12/13-at, miután az FLS2 megköti a flagellint, bizonyítva az FLS2 válaszok visszacsatolásos csillapítását és a több PTM-re való támaszkodást a védelmi szabályozásban [86]. A BAK1 kináz aktivitása elengedhetetlen a PUB13-mal való kölcsönhatás közvetítésében, mivel a BAK1 kináz-inaktív mutáns, amely K317M szubsztitúcióval rendelkezik, már nem tud kölcsönhatásba lépni a PUB13-mal [87]. A PUB13 a LYSM-TARTALMÚ RECEPTORSZERŰ KINÁZ 5-öt (LYK5) is ubiquitinálja, és a kitin által kiváltott védekezés szabályozása érdekében azt célozza meg a lebontásban (1. ábra) [88]. Az Ub E3 ligáz A PUB25/26 a nem aktivált BIK1 immunkinázt célozza meg a lebontásban, hogy módosítsa a BIK1 szintet (1. ábra) [89]. A PUB4 kölcsönhatásba lép a CERK1-gyel, és a kitin által kiváltott immunválaszok pozitív szabályozója [90].

Az NLR-ek túlzott felhalmozódása gyakran autoimmun válaszokhoz vezet. Ennek megelőzése érdekében az NPR-SZUPRESSZOR1-1, a CONSTITUTIVE 1 (SNC1) és a P. SYRINGAE 2-NEK ELLENÁLLÓ (RPS2) NLR fehérjéket célozza meg az SKP1- CULLIN{{6} ubikvitinációja és lebontása. }F-box (SCF) komplex (Cheng et al., 2011). Ezzel szemben az Arabidopsis Ub E3 ligázok, az RPM1 INTERACTING PROTEIN 2 és 3 (RIN2 és RIN3) pozitívan járulnak hozzá a P. SYRINGAE PV-vel szembeni NLR rezisztenciához. MACULICOLA 1 (RPM1)- és RPS{18}}függő HR (Kawasaki et al., 2005).

Az ubiquitináció elengedhetetlen a nekrotrófok elleni JA-válasz aktiválásához. A JASMONATE-ZIM-DOMAIN PROTEIN 1 (JAZ) fehérjék a JA-re reagáló gének transzkripciós represszoraiként működnek [91]. A bioaktív JA (jázmonát-izoleucin (JA-Ile) konjugátum) elősegíti az ubiquitin ligáz komplex SCFCOI1 és JAZ fehérjék közötti fizikai kölcsönhatását, ami a JAZ ubiquitin által közvetített proteaszómális lebomlását idézi elő, lehetővé téve a JA-függő gének expresszióját [91–93].

Bár az Ub E3-ak nagymértékben meghatározzák a szubsztrátspecifitást [94–97], a deubikvitináló enzimek (DUB) is rendelkeznek szubsztrátspecifitással [80,98]. Ez fontos az immunitásban; például az Arabidopsis UBIQUITIN-SPECIFIC PROTEASE 12 és 13 (AtUBP12 és AtUBP13) deubiquitináló enzimek negatívan szabályozzák a növényi immunitást [99]. Az UBP12 és UBP13 azonban a JA válaszok pozitív szabályozói, és a MYC stabilizálása révén hathatnak, aminek eredményeként a JA útvonal elnyomja az SA által közvetített immunitást [100].

3.3. SUMOiláció

Az ubiquitin mellett az ubiquitin-szerű polipeptidek kovalensen konjugálódnak az eukarióták szubsztrátjaihoz a szubsztrát lizinen keresztül (2. ábra). Egy kis ubiquitin-szerű módosító (SUMO) egy másik fontos PTM, amely részt vesz a növényi biotikus stresszválaszokban. Globális SUMOylome változások következnek be a kórokozók támadásai során [101–104]. Például az rps4-rld1-4 (srfr1-4) ​​mutánsok autoimmun szupresszora jelentős növekedést mutatott a bazális SUMO1/2-konjugátumokban, akárcsak a vad típusú növények fertőzött Pseudomonas syringae pv. paradicsom (Pst)DC3000, összehasonlítva a WT kezeletlen növényekkel.

Összességében az srfr1-4 mutáns és a PstDC3000 fertőzött WT növények 57,9 százalékán osztoznak a közös SUMO szubsztrátjaikban, amelyek széles körű célpontokat tartalmaznak. Az autoimmun srfr{5}} növények fokozott SA-szinttel és a PR1/PR2 gének konstitutív felszabályozásával rendelkeznek; növekedési visszamaradás is megfigyelhető [105]. Jelentős, hogy az EDS1 elvesztése az srfr{10}} SUMOylome-ot vad típusú (Col-0) szintre állítja vissza, és megszünteti a növekedési retardációt és az autoimmunitást [106]. Ezért a SUMOiláció és a deSUMOiláció kulcsfontosságú a védelmi szabályozás szempontjából.

A különböző SUMO paralógok eltérő funkciót töltenek be, és különböző paralógok léteznek különböző fajokban [107]. Arabidopsisban a SUMO1/2 gátolja az SA által közvetített védekezési válaszokat kórokozó hiányában [108]. Ezzel szemben a SUMO3 elősegíti a növények védekező válaszait az SA-tól lefelé [109]. A SUMO nem kovalens kölcsönhatásokat is kialakít a fehérjékkel a SUMO interakciós motívumokon (SIM-eken) keresztül, amelyek elősegítik a SUMO-konjugált fehérjék és a SIM-hely(ek)et tartalmazó fehérjepartnerek közötti kölcsönhatásokat a fehérjekomplex kialakításához [107, 110].

A PTM-ek specifikus mintázatának megváltoztatása megváltoztatja a növény védekezési reakcióit és betegségekkel szembeni ellenálló képességét. Például a SÓ1 és -2 (OTS1/2) SUMO proteáz kettős mutáns ots1ots2 TÚLTOLERANCSÁJA a WT növényekhez képest megnövekedett SUMO-konjugátum-szintet, magasabb SA-szintet és fokozott PstDC3000-rezisztenciát halmoz fel. Azt találták, hogy a SUMO OTS1 és OTS2 proteázok korlátozzák az SA bioszintézist azáltal, hogy elnyomják az ISOCHORISMATE SYNTHASE1 (ICS1) expresszióját, és visszacsatolási mechanizmusként az SA elősegíti az OTS1 és OTS2 lebomlását, hogy modulálja az SA jelátvitelt [101]. Hasonlóképpen, a SUMO proteáz mutánsok a 4. nap elején (esd4) magas SA-felhalmozódást mutatnak [111]. Ezek azt mutatják, hogy a SUMO enzimatikus gépezet szabályozza az SA által közvetített védelmet a válasz megfelelő beállításához [101, 109].

A védekezést befolyásoló SUMO gépezet másik aspektusa a sap és miz 1 (siz1) SUMO E3 ligáz Arabidopsis funkcióvesztési mutánsa. A siz1 növényekben csökkent a SUMO konjugátumok száma, a törpeség, egy autoimmun fenotípus, amelyet fokozott SA felhalmozódás, az EDS1, PAD4 és PATHOGENESIS-RELATED(PR) gének fokozott expressziója, valamint a PstDC3000 baktériummal szembeni nagyobb rezisztencia jellemez a WT növényekhez képest [112 ]. A siz1 autoimmun fenotípus az SNC1 TNL immunreceptortól függ [113,114]. A TOPLESS-RELATED 1 (TPR1), egy SNC{18}}kölcsönhatásba lépő fehérje, fizikailag kölcsönhatásba lép a SIZ1-gyel, és SIZ1-gyel SUMOilálódik [115]. A K282 és K721, a TOPLESS-RELATED 1 (TPR1) kritikus SUMOilációs kapcsolódási helyeinek mutációja arra utalt, hogy a TPR1 SUMOylation elnyomja az immunitást a transzkripciós társrepresszor aktivitásának elnyomása révén.

Ez az immunitás DEFENSE NO DEATH 1 (DND1) és DND2 negatív szabályozóinak expressziójához vezet. Ezen túlmenően, az SNC1 SUMOilezett, ami talán tovább hat az immunitás visszaszorítására kórokozók hiányában [113,115]. Az SNC1 transzkripcióját a SUMOiláció szabályozza, valamint az SNC1 fehérjeszinten SUMOilált [113], az SNC1 fehérjeszintet pedig az ubiquitin által közvetített degradáció szabályozza, amint azt az előző részben említettük [116]. Fontos az SNC1 aktivitás szabályozása, hogy elkerüljük a túlzott immunválaszokat, amelyek károsak lennének a növények növekedésére és károsodást okoznának [117].

A PTM enzimatikus gépezet megzavarása rámutat arra a tényre, hogy a PTM rögzítésében/eltávolításában bekövetkező változások mélyreható hatást gyakorolnak a növény fiziológiájára, beleértve a védekezés szabályozását is.

Érdekes módon az ots1ots2 mutánsokban a megnövekedett SUMOylation vagy a csökkent SUMOylation siz1 mutánsokban megnövekedett SA-szintek jelzik a PTM szabályozás összetettségét, és hogy a SUMOylation szabályozás kulcsfontosságú az immunitás megfelelő szintjének modulálásához. A SUMO e szigorú kontrollja még inkább kiemeli, hogy a három Arabidopsis SUMO (SUM) gén túlzott expressziója SA-függő védekezési válaszok aktiválódását eredményezte, akárcsak a sum1sum2 knockdown mutáns [109].

A SUMO-nak az SA jelzésen kívül a JA jelzés modulálásában is van szerepe. A JAZ-hoz konjugált SUMO gátolja a JA Receptor CORONATINE INSENSITIVE1 (COI1) működését a COI1 SIM helyén keresztül [118]. A SUMO proteáz OTS1/2 hatása vagy lebomlása határozza meg, hogy a JA válasz aktiválódik vagy gátolt, a kórokozó típusától függően [118]. Lényeges, hogy a SUMOiláció kölcsönhatásba lép más PTM-ekkel, beleértve a foszforilációt és az ubikvitinációt, amelyeket a következő részben ismertetünk.

3.4. Kölcsönhatás a PTM-ek között

Az immunitás legtöbb aspektusát több PTM szabályozza, amelyek gyakran kölcsönhatásba lépnek egymással. A PTM-ek áthalláson mennek keresztül, és kölcsönösen függnek egymástól. Az egyik kiemelkedő példa az FLS2 jelátvitel, amelynek szabályozásához foszforiláció, SUMOiláció és ubikvitináció szükséges [48, 86, 119]. Nem fertőzött körülmények között az FLS2 a BIK1-gyel társul [21,120]. Az flg22 kimutatásakor az FLS2 a BAK1 koreceptor protein kinázt toborozza, amely lehetővé teszi a BIK1 és BAK1 kölcsönös foszforilációját [55,121,122].

Ezenkívül a flagellin észlelése alapján az FLS2 SUMOilálódik a lizin 1120-on, ami kiváltja a BIK1 felszabadulását, amely elengedhetetlen az FLS2-közvetített védekező válaszhoz. A deSUMOiláló izopeptidáz 3A (Desi3A) deSUMOilálja az FLS2-t, hogy negatívan szabályozza az immunjelátvitelt flagellin hiányában. Mégis, amikor a flagellint észlelik, a Desi3A lebomlik, és fokozza a SUMOilált FLS2 szintjét és fokozza az immunjelátvitelt (1. ábra) [48]. Ezenkívül azt találták, hogy a BIK1 monoubiquitinációja hozzájárul a ligandum által kiváltott BIK1 disszociációhoz az FLS2 receptorról [123]. Amint korábban említettük, a PUB12/13 kiváltja az FLS2 lebomlását az ubiquitin-proteaszóma rendszeren keresztül.

A PTM gépezet enzimjein poszttranszlációs módosulás a védekezésben is előfordul; például a KALCIUM-FÜGGŐ PROTEIN KINÁZ 28 (CPK28) foszforilázza és aktiválja a PUB25 és 26 Ub E3 ligázokat, hogy fokozza a nem aktivált BIK1 ubikvitinációját és proteaszómális lebomlását (1. ábra) [89,124]. Az Ub E3 ligázok és a kináz domének közötti kölcsönhatások gyakorinak tűnnek az RLK-k szabályozásában [125].

A PATOGENESISSEL KAPCSOLATOS GÉNEK (NPR1) NINCS KIFEJEZÉSE VAGY A PATHOGENESISSEL KAPCSOLATOS GÉNEK (NPR1) kulcsfontosságú transzkripciós faktor a védekezésben, mivel szabályozza a PR gének expresszióját, hozzájárulva a szisztémás szerzett rezisztencia (SAR) kialakulásához [126]. A foszforiláció, a SUMOiláció és az ubiquitináció szintén elengedhetetlenek a megfelelő védekezési reakciókhoz (1. ábra). A SUMOiláció kölcsönhatásba lép a foszforilációval az NPR1 funkciók szabályozása érdekében: a Ser55 és Ser59 foszforilációja megakadályozza az NPR1 SUMO kötődését. Az NPR1 SUMOylation állapota megváltoztatja a partnerekkel való interakcióját. A nem SUMOilált NPR1 kölcsönhatásba lép a WRKY70-nel, hogy elnyomja a PR1 expresszióját. A kórokozók által okozott fertőzés során az SA felhalmozódása elősegíti a Ser55/Ser59 defoszforilációját, lehetővé téve az NPR1 SUMOilációját, ami az NPR1-t a TGA3-mal való kölcsönhatásra váltja ki a PR1 génexpresszió elősegítése érdekében [127,128].

Ezenkívül az NPR1 kölcsönhatása a SUMO3-mal szükséges a Ser11/Ser15 foszforilációjához, ami ubikvitinációt és az NPR3–CULLIN3 E3 komplex általi lebomlását okozza a specifikus és tranziens immunindukcióhoz [129]. Az NPR1 lebomlása fontos a védekező gén aktiválásának teljes skálájához, valamint az ETI aktiválásához és a programozott sejthalálhoz a fertőzés helyén, ahol magas az SA szint [126], míg a szomszédos sejtekben az SA szint közepes, hogy lehetővé tegye az NPR1 működését [130]. . Az SA-indukált PR gének számos antimikrobiális metabolitot kódolnak, beleértve az endoglukanázokat, kitinázokat, defenzineket stb. [131]. Ez az idézett példa azt mutatja, hogy a foszforilációs helyek ellentétes funkciót látnak el, és hogy a specifikus PTM-minták a védekezési válasz szempontjából eredményeket adnak. A többszörös PTM szekvenciális folyamat pontosabb szabályozást biztosít, hogy lehetővé tegye az ubiquitin által közvetített lebomlást a megfelelő időben, amikor a kórokozók nem mutathatók ki [132]. Az NPR1 funkcionálisan konzervált szerepet játszik a növényekben; így a SUMO potenciálisan részt vesz az Arabidopsishoz hasonló ortológok szabályozásában, de ez vizsgálatot igényel [126,133].

Jelentős áthallás van a SUMOiláció és az ubiquitináció között, különösen a negatív visszacsatolás részeként, amely a fehérje lebomlását indukálja; például a SIZ1 képes SUMOilálni a CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC 1-et (COP1), ami fokozza a COP1 transzubiquitinációs aktivitását, egy több alegységből álló E3 ligázt, amely pozitívan szabályozza a vírusokkal szembeni betegségrezisztenciát [134,135]. A SUMOilációt követően a COP1 ubiquitinálja a SIZ1-et, ami annak lebomlását okozza; ezért az ubiquitináció szabályozza a sejtes SUMOilációt a SIZ1 szabályozásával, valamint a SIZ1 elősegíti a COP1 ubiquitinációs aktivitását [136].

Számos SUMO célpont átfedésben van a MAPK foszforilációs célpontjaival az immunitás szabályozásában [137]. Számos WRKY-t azonosított a SUMO1 célpontjaként a proteomika, valamint a MAPK foszforilációja [104]. Ennek alátámasztására kimutatták, hogy a Botrytis cinerea fertőzésre és az flg22 kiváltó kezelésre válaszul a WRKY33 SUMOilált, ami lehetővé teszi a WRKY33 MPK3/6 általi foszforilációját a transzkripciós faktor aktivitás aktiválása érdekében, ami megnövekedett kamalexin bioszintézishez vezet (138. ábra).

Nyilvánvaló, hogy a PTM-ek létfontosságúak az Arabidopsis növényvédelmi reakcióihoz és betegségekkel szembeni rezisztenciájához, és ezt a megállapítást követően a PTM-ek hasonlóan fontosak a növényfajok esetében, és kiváló erőforrást jelentenek a termésjavításban. Az immunitás általános mechanizmusai hasonlóak az Arabidopsisban és a haszonnövényekben, valamint a fehérjeosztályokban; a pontos mechanizmusok, kölcsönhatások, fehérjekomplexek és PTM-ek azonban az adott fajra és fajtára jellemzőek [17]. Egy tanulmány azt találta, hogy az Arabidopsisban 1619 foszfozit pontosan illeszkedik bármely más növényfaj foszfotjaihoz, ami bizonyos hasonlóságokat jelez az Arabidopsis és a haszonnövények fehérjefoszforilációjában [139]. A védekező fehérje ortológok számos esetben konzervált szerepet mutatnak a különböző növényfajok között; például a PRR-ek, a MAPK-kaszkádok, a WRKY TF-ek, az NPR1, az ubiquitin ligázok és az ubiquitináció által közvetített proteaszómális degradáció modulálják a védekező fehérje felhalmozódását [80,81,126,133,140–144].

A rizsben a betegségekkel szembeni rezisztencia különbségei a PTM-mintázattól függhetnek, amint azt az a megállapítás is sugallja, hogy a foszforilációs motívumok száma és eloszlása ​​különbözik a Pi54 rezisztens és érzékeny alléljai között [145,146]. A PTM áthallás eredményei igazolják, hogy a rizsben a PRR által közvetített jelátvitel a specifikus foszforilációs mintáktól és az ubiquitin által közvetített szabályozástól függ. Az XA21 Thr705 maradék nélkülözhetetlen a rizs PRR XA21 autofoszforilációjához. A Thr705 szintén nélkülözhetetlen az XA21 és a rizs XA21-kötő fehérje 3 (XB3), egy ubiquitin ligáz közötti kölcsönhatáshoz, amely a teljes XA21--közvetített rezisztenciához szükséges [147,148]. Ezt a foszfonull mutáns variánsok, az XA21T705A és XA21T705E alkalmazása bizonyította, amelyek nem képesek az XA21-közvetített immunválaszt transzdukálni, vagy nem lépnek kölcsönhatásba az XA21-kötő fehérjékkel [147]. Az XA21 PAMP észlelése után (amely felismeri a Xanthomonas oryzae pv oryzae eredetű szulfonált peptideket, [149]), az XA21 specifikusan transz-foszforilálja az XB3-at, amelyről kimutatták, hogy in vitro autoubiquitinálódik, ami MAPK kaszkádok aktiválásához vezethet [148,150] . Az XB3 szerepe a fajok között megmaradhat a sejthalál szabályozásában [151].

A foszforiláción és az ubiquitináción kívül az egyértelműen specifikus SUMOiláció szabályozás elengedhetetlen a növényi immunitás szempontjából, mivel a kórokozók a deSUMOiláció révén befolyásolják a patogenitást [140]. A következő rész részletesebben leírja, hogy a kórokozók miként térítik el a PTM rendszereket saját javukra, azaz hogy elkerüljék a gazdaszervezet védekezését és tápanyagokhoz jussanak a kórokozók szaporodásának elősegítése érdekében.

For more information:1950477468nn@gmail.com