Протеини с лизинов мотив (LysM): взаимосвързана манипулация на имунитета на растенията и гъбичките

Резюме:

Протеините с лизин мотив (LysM) са въглехидрат-свързващи протеинови модули, които играят критична роля във взаимодействията гостоприемник-патоген. Растителните протеини LysM функционират най-вече като рецептори за разпознаване на образи (PRR), които усещат хитин, за да индуцират имунитета на растението. Обратно, гъбичният LysM блокира усещането или сигнализирането на хитин, за да инхибира индуцирания от хитин имунитет на гостоприемника. В този преглед ние предоставяме исторически перспективи за растителни и гъбични LysM, за да демонстрираме как тези протеини участват в регулирането на имунния отговор на растенията от микроби. Растенията използват LysM протеини, за да разпознаят гъбични хитини, които след това се разграждат от растителни хитинази, за да предизвикат имунитет. За разлика от тях, гъбичните патогени набират LysM протеини, за да защитят клетъчната си стена от хидролиза от растителна хитиназа, за да предотвратят активирането на индуцирания от хитин имунитет. Разкриването на тази коеволюционна надпревара във въоръжаването, в която LysM играе ключова роля в манипулирането, улеснява по-доброто разбиране на механизмите, управляващи взаимодействията растения-гъбички.

Ключови думи:

протеин на лизин мотив (LysM); взаимодействие растение-гъба; хитин; манипулиране на имунитета.

Лизиновите мотиви (GRAS) са клас от запазени протеинови последователности, които съществуват в различни организми. Те участват в регулирането на растежа и развитието и адаптирането към стреса при растенията и гъбите и се срещат и при бозайниците. Последните проучвания показват, че GRAS протеините също участват в регулирането на имунните отговори при растенията и бозайниците, като по този начин влияят на имунитета. В растенията GRAS протеините участват в медиирането на защитните реакции на растенията към патогени. Например, в Arabidopsis thaliana, GRAS протеините SHR и SCR участват в устойчивостта на корените на растенията към патогени и тези протеини могат да индуцират апоптоза в корените на растенията и да насърчат смъртта на патогенни бактерии. В допълнение, GRAS протеините също повишават устойчивостта на растенията към патогени, като участват в регулирането на генната експресия в имунната активация на растенията.

При бозайници, въпреки че има малко проучвания за имунната функция на GRAS протеините, някои проучвания показват, че те участват в имунната регулация. Например, GRAS протеинът SPRY2 може да инхибира пролиферацията и активирането на Т клетки и да увеличи броя на регулаторните Т клетки, като по този начин регулира баланса на имунния отговор. От друга страна, GRAS протеинът OSL1 може също да участва в регулирането на имунния отговор на бозайниците и може да инхибира активирането и пролиферацията на Т клетки.

Следователно може да се види, че GRAS протеините участват в регулирането на имунните отговори при растенията и бозайниците, като по този начин влияят на имунитета. Бъдещите изследвания трябва да изследват специфичната роля и механизма на GRAS протеините в имунната регулация, за да осигурят теоретична основа за разработването на нови имуномодулатори. Това показва важността на имунитета, така че трябва да подобрим имунитета. Cistanche може да повиши имунитета. Месната пепел съдържа различни биологично активни компоненти, като полизахариди, две гъби, Huang Li и др. Стимулира различни клетки на имунната система и повишава тяхната имунна активност.

Щракнете върху прах от екстракт от Cistanche tubulosa

1. Въведение

Тъй като са неподвижни, растенията са изправени пред множество предизвикателства през целия си живот, включително тези от патогени. Растенията не притежават циркулираща имунна система като животните, нито генерират антитела за борба с патогените [1]. По този начин, уникални стратегии за защита срещу патогенни инвазии са били проектирани от растенията през цялата им еволюция. Растенията са развили имунни рецептори като средство за откриване и последващо възпиране на патогени [2]. Имунните рецептори в растенията могат да бъдат разделени на два основни типа, рецептори за разпознаване на образи (PRRs) и нуклеотид-свързващи богати на левцин повтарящи се рецептори (NLR) [3]. PRRs са използвани като първична защита срещу патогени.

Като цяло, PRR са локализирани върху клетъчната мембрана и принадлежат към семейство рецепторни кинази, които обикновено включват екстрацелуларен лиганд-свързващ домен, трансмембранен домен и вътреклетъчен киназен домен [4]. Екстрацелуларните домени на PRRs могат специфично да разпознават молекулярно-асоциирани молекулярни модели (MAMP), като бактериалния липополизахарид (LPS), флагелин, EF-Tu (термо нестабилен фактор на удължаване), пептидогликани, гъбичен хитин и -глюкани и ергостероли, активирани вътреклетъчни киназни домени през трансмембранни домени, които от своя страна потенцират имунните сигнали надолу по веригата [5–7]. За да пробият това първо ниво на бариерите на имунната система на растението, патогените отделят малки молекули, наречени ефектори, в растителните клетки. Тези ефектори нарушават сигнализирането на митоген-активираната протеин киназа (MAPK) и нейното предаване надолу по веригата чрез инхибиране на транслацията и активността на PRR и тяхното комплексно сигнализиране. Освен това, той може също да повлияе на имунитета на растенията чрез намеса в няколко клетъчни процеси като производството на ROS, транспорт на везикули, отлагане на калус и укрепване на клетъчната стена [5,7].

Доменът LysM включва протеини, които директно играят роля или в PRRs, регулиращи имунитета в растенията, или като ефектори в патогенни гъби, които потискат имунитета на растенията [8]. Доменът LysM е общ пептидогликан-свързващ модул, който има вторична структура с две спирали, подредени от една и съща страна на анти-паралелния лист. Като цяло LysM модулът съдържа около 50 аминокиселини и се свързва с пептидогликани, хитин и техните производни [9]. Домейнът LysM първоначално е открит в антимикробния ензим лизозим на бактериофаг [8] и нарастващ брой проучвания установяват, че протеините на домейна LysM са широко разпространени в еукариоти и прокариоти [10,11].

Като функционален домейн, който помага да се избегне имунитета на гостоприемника, функцията на протеините на домейна LysM разчита на свързващите свойства на домейна LysM към гъбичния хитинов полизахарид, който е неразтворим сложен въглехидрат в клетъчната стена на гъбичките, който обикновено се разгражда от растителни хитинази [ 12]. Клетъчната стена на гъбичните патогени е първата точка на контакт с растението гостоприемник, а основният компонент на клетъчната стена на гъбичките е хитин [12]. За растенията гъбичният хитин действа като MAMP, който индуцира растителен имунитет чрез свързване с родствените PRRs в растенията. Обратно, за да се избегне защитната реакция на гостоприемника, ефекторите, съдържащи домейн LysM, се секретират от гъбични патогени, за да защитят техните клетъчни стени. Хитинът като основен компонент на клетъчната стена на гъбичките действа като важна молекула в манипулирането на имунитета на гостоприемника, медииран от LysM протеини. Това междумолекулно взаимодействие подчертава резултатите от фино контролирани процеси гостоприемник-патоген, които са се превърнали в основа за подобряване на устойчивостта на болести в културите [13].

По този начин, в този преглед, ние предоставяме цялостна оценка на биологичните характеристики на LysM протеини от растения и гъби, механизмите, чрез които се случва манипулиране на имунитета на гостоприемника, и техните интерактивни роли между растенията и гъбите, за да се улесни разбирането на механизма на LysM -медииран имунитет и неговото значение за селското стопанство.

2. LysM медиира хитиновото сигнализиране в растенията

LysM съществува под формата на LysM-съдържащи рецептор-подобни кинази (LYKs) или некиназа LysM [14]. LYK присъстват изключително в растенията и участват в регулирането на растителния имунитет [14]. Растителните LysM протеини са силно разнообразни, с най-малко шест различни типа за разлика от некиназните типове, което предполага, че LysM протеините се срещат в редица сложни структурни домени [14,15]. Въпреки това, биологична функция не е приписана на повечето некиназни LysM гени.

2.1. LysM в Arabidopsis и ориз

Разпознаването на свързаните с патогени молекулярни модели (PAMPs) от PRRs е първата стъпка в защитата на растенията, PAMPs са запазени елиситорни молекули като гъбичен хитин и хитоолигозахариди, бактериален пептидогликан, а узряването и транспортирането на PRRs е важен биологичен процес. Киназата на рецептора на хитин елиситор 1 (CERK1) е класически член на LysM, който се намира в ориза и Arabidopsis [16,17]. Той функционира като PRR върху мембраните на растителните клетки, за да разпознае някои консервативни молекулярни модели, получени от патогенни гъбички, и да индуцира имунния отговор на гостоприемника (Фигура 1). CERK1, който съдържа три LysM домена, играе ключова роля във възприемането на хитинови олигозахаридни индуктори и трансдукция на N-ацетилглюкозамин. Той показва по-висок афинитет към хитиновия олигозахарид с по-дълги остатъци. Имунните отговори, индуцирани от гъбичен MAMP хитин, включват MAPK активиране, производство на реактивни кислородни видове (ROS) и експресия на защитни гени [16, 18–20].

Оризовият хитинов рецептор OsCERK1 узрява в ендоплазмения ретикулум, откъдето се транспортира до ектоплазмения ретикулум през апарата на Голджи. По време на този процес индуцираният от стрес протеин (Hop/Sti1) и протеинът на топлинен шок 90 (Hsp90) могат да сглобят една или повече растително-специфични Rho-тип GTPase OsRac1, член на семейството на Rho гуанозин трифосфат ази (GTPases), които комплексират в ендоплазмения ретикулум и последващият транспорт на OsCERK1 от ендоплазмения ретикулум до ендоплазмения ретикулум регулира узряването на OsCERK1. Процесът на транспортиране разчита на регулирането на малкия GTPase-свързан с секрецията протеин и ras-свързан протеин 1 (GTPase Sar1) [21].

Като малък гуанинов нуклеотиден регулаторен (G) протеин, OsRac1 участва в рецепторния комплекс, съдържащ OsCERK1-, който регулира имунитета, след като гъбичният хитин се възприема от оризовите клетки [21,22]. Член на рецептор-подобна цитоплазмена киназа (RLCK), включително вероятната серин/треонин протеин киназа-подобна 27 (PBL27), която е компонент надолу по веригата на CERK1, играе важна роля в усещането на хитин и сигнализирането надолу по веригата, което накрая допринася за модулацията на индуциран от хитин имунитет при Arabidopsis [23]. След разпознаване на CERK1 хитин, PBL27 се фосфорилира от CERK1. Фосфорилираният PBL27 впоследствие участва в активирането на MAPK [23]. По подобен начин, рецептор-подобната цитоплазмена киназа в ориз OsRLCK185 може също да бъде фосфорилирана от хитин-активиран OsCERK1 и да предизвика MAPK отговори [24,25]. OsRLCK185 също фосфорилира цитоплазмения феритин OsDRE2a, оризови хомолози на дрождевия Dre2 протеин, за модулиране на индуцирана от хитин ROS експлозия [26]. Други членове на RLCK VII, включително OsRLCK57, OsRLCK107, OsRLCK118 и OsRLCK176, също участват в няколко хитинови сигнални пътища [27–29].

В допълнение, няколко други компонента надолу по веригата, участващи в CERK1-медиирана сигнализация, също са идентифицирани в Arabidopsis. Растителният U-box протеин 4 (PUB4) е убиквитинова лигаза, която взаимодейства с CERK1. Той е положителен регулатор на сигнализирането на хитин чрез ролята си в производството на ROS и отлагането на калоза при възприемане на хитинов олигозахарид [30]. Членовете на рецептор-подобна на Arabidopsis цитоплазмена киназа VII, включително RLCK VII-4, RLCK VII-5, RLCK VII-7 и RLCK VII-8 функционират надолу по веригата на PRRs, участващи във флагелин и хитиново сигнализиране, допринасят за отлагането на калоза и генерирането на ROS. RLCK VII-4 е специално доказано, че е важен за сигнализирането на хитин чрез неговата роля в активирането на MAPK каскадата при възприемане на хитин, като по този начин свързва PRR с MAPK сигнализиране [31]. Взети заедно, тези резултати показват, че сигналният модул CERK1–RLCK играе запазена роля в производството на ROS в Arabidopsis и ориз по време на предизвикан от хитин имунен отговор [21–31].

Интересното е, че беше показано, че хитиновият рецептор CERK1 се свързва директно с хитина, като и трите извънклетъчни домена LysM са необходими за свързването на хитин, но по-важно без никакви други взаимодействащи протеини, като по този начин предоставя доказателство, че CERK1 е основен хитин-свързващ протеин в растенията [ 32]. Запазеният юкстамембранен (JM) парамембранен домен регулира киназната активност на CERK1 в Arabidopsis. В допълнение, JM парамембранният домейн също играе функционално запазена роля в активирането на хитин-чувствителния сигнал в Arabidopsis [33]. И накрая, димеризацията на индуцираната от хитин CERK1 е ключовият биологичен процес, който е необходим за трансдукция на имунен сигнал, индуцирана от хитин [34]. Например, индуцираната от лиганд CERK1 хомодимеризация е необходима за молекулярни модели на възприемане на лиганда, активиране на рецептора и имунна сигнална трансдукция [34,35].

Протеиновото фосфорилиране също е ключова регулаторна стъпка в растителното сигнализиране на LysM [23]. Първо, тъй като CERK1 е основен хитин-свързващ протеин, който е пряко включен в свързването на хитин от LysM, неговото възприемане на хитинов сигнал и предаване зависят от пост-транслационни модификации и киназна активност [32]. Известно е, че CERK1 фосфорилира рецептор-подобни цитоплазмени кинази PBL27 в A. thaliana [23,36]. По подобен начин, в ориза, факторът за обмен на гуанин нуклеотид за OsRac1 OsRacGEF1 се фосфорилира от цитоплазмената киназа OsCERK1 [22]. CERK1 също взаимодейства с LYK5, за да усети хитиновия олигозахарид и да активира компонентите надолу по веригата на хитиновата сигнална каскада; впоследствие LYK5 се отделя от CERK1, за да влезе във везикули и претърпява ендоцитоза чрез фосфорилиране с CERK1 [37]. След отчитане на хитин, CERK1 набира CERK1-взаимодействащата протеинова фосфатаза 1 (CIPP1), предсказана Ser/Thr фосфатаза, за да дефосфорилира Tyr428 и да намали сигнализирането на CERK1 [38].

Други RLK и RLP, съдържащи LysM домейна, също съществуват в ориза и Arabidopsis и участват в сигнализирането на хитин. Например, хитинови екситон-свързващи протеини (CEBiPs) са първите открити растителни LysM RLPs в ориз [39]. Анализът на молекулярната структура на домена за разпознаване на хитин OsCEBiP показа, че кристалните структури на свободен ектодомен (ED) на OsCEBiP (OsCEBiP-ECD) съдържат три тандемни LysMs, последвани от нова структурна гънка от богати на цистеин домейни [40]. Структурният анализ също показа, че свързването на хитин не може значително да повлияе на конформацията на OsCEBiP, но хитинът в „плъзгащ режим“ причинява агрегация на OsCEBiP, която играе ключова роля във възприемането и трансдукцията на няколко хитинови индуктори в оризови клетки [39–41].

Освен това, OsLYP4 и OsLYP6, като LysM-RLP, също показват афинитет към хитин, вероятно като малки хитинови рецептори [42], като и двата могат да образуват хомо- и хетеродимери и да взаимодействат с CEBiP, за да участват в сигналната трансдукция на пептидогликан (PGN) и хитин [42,43]. OsCERK1 може също да се използва като връзка за свързване с OsLYP4 и OsLYP6 [44]. Докато OsCEBiP хомологът в Arabidopsis, гликозилфосфатидилинозитол-към-закрепен протеин2 (LYM2), съдържащ домейн с мотив на лизин, показва сходство с оризовия CEBiP, той не участва в сигнализирането въпреки високия афинитет за свързване с р-хитин олигозахарида [44]. LYM2 медиира намаляването на молекулярния поток чрез плазмодесмати в присъствието на хитинов олигозахарид, за да индуцира защитните реакции срещу гъбичния патоген Botrytis halal, но LYM2 не е необходим за CERK1-медиирани предизвикани от хитин защитни реакции, което показва, че има най-малко два независими хитин-активирани пътя на отговор в Arabidopsis [44].

Освен това е установено, че няколко други CEBiP хомолози в Arabidopsis участват в регулирането на хитиновата сигнална трансдукция и растителния имунитет, включително LysM RLK1-взаимодействаща киназа 1 (LIK1), LysM рецепторна киназа 3 (LYK3), LysM рецепторна киназа 4 (LYK4) и LysM рецепторна киназа 5 (LYK5) [37,44–47]. Няколко хитинови олигомери могат да индуцират хетеродимеризация на AtLYK5 и хомодимеризация на AtCERK1, но индуцираният от хитин хетеродимер AtLYK5–AtCERK1 е по-силен от хомодимера AtCERK1, тъй като само AtCERK1 съдържа киназен домен, за който също е доказано, че е отговорен за инициирането на вътреклетъчно хитиново сигнализиране [ 48].

Отрицателните регулаторни фактори също играят ключова роля в експресията на основни и ранни патоген-индуцирани защитни гени и защитата на растежа на растенията от продължително индуцирано от хитин имунно увреждане [36]. Например, AtLYK3 и LIK1 регулират негативно индуцираната от хитин растителна защита и действат като компоненти на цитоплазмения киназен комплекс PBL27. Растителният U-box протеин 12 (PUB12) регулира негативно предизвикания от хитин имунитет [36,45,47]. Активираният с хитин AtCERK1 дефосфорилира своя 428 тирозинов остатък чрез набиране на CIPP1, който може да се използва като механизъм за отрицателна обратна връзка за блокиране на трансдукцията на хитинов сигнал [38]. Все още обаче не е известно как растенията балансират тези положителни и отрицателни сигнални режими или дали разчитат на други сигнални молекули.

И накрая, имунният отговор е сложна и прецизна мрежа, която включва множество сигнални кръстосани разговори по време на взаимодействия растение-патоген и LysMs не са изключение [46]. AtLYK3 участва в медиираната от хормона абсцицинова киселина (ABA) отрицателна кръстосана връзка с имунните отговори на растенията [46]. LIK1 регулира положително сигнализирането на хормона жасмонова киселина/етилен (JA/ET) и регулира негативно индуцираните от хитин защитни реакции на растенията [47]. Доменът LysM на EMBRYO SAC 1 (OsEMSA1A) е отговорен за развитието и функцията на ембрионалните бластоцисти [49]. CERK1 е необходим в отговор както на симбиозата на арбускуларната микориза (AM), така и на солевия стрес на растенията [50–53]. Тези резултати предполагат, че CERK1, в допълнение към участието си в имунните отговори като RLKs, също изпълнява две или повече механично независими функции. Например, CERK1 може да играе роля в контрола на клетъчната смърт, независимо от хитина и не зависи от неговата киназна активност [54].

Хитиновите олигозахариди -1,4-N-ацетилглюкозамин олигомери (GlcNAc), които служат като единствената гликозидна структура на клетъчната стена на гъбичките, също функционират като MAMP в растенията, но неразклонените -1,{ {4}}глюканът на полифилните олигозахариди на краставица също може да причини CERK1 рецептор-медииран PAMP-задействан имунитет (PTI) в Arabidopsis [55]. Arabidopsis CERK1 медиира растителния имунитет в отговор на резистентност, различна от гостоприемника, към Fusarium oxysporum [56]. Наскоро се предполага, че OsCERK1 има допълнителна роля в причиняването на имунен отговор, предизвикан от бактериален липополизахарид (LPS) в ориза [54]. Мутантните алели на Arabidopsis cerk1–4 не успяват да натрупат извънклетъчни протеинови хидролизати, което води до повишаване на чувствителността или индуциране на стареене [54]. Тъй като cerk1–4, растенията показват нормални хитинови реакции, клетъчната смърт не е свързана с киназната активност на AtCERK1 [54]. Съобщава се също за ролята на AtCERK1 в толерантността към сол при Arabidopsis, AtCERK1 взаимодейства с протеина на калциевия канал ANNEXIN 1 (ANN1), който е отговорен за индуцирания от сол вътрешен поток на калций [50].

2.2. LysM в други растения

Хомолозите на CERK1 също имат важни биологични функции в други растения, особено при манипулации на имунитета [57–59]. LysM-съдържащите протеини също се диференцират функционално в различни клетъчни процеси. LysM-съдържащ протеин 1 в черница (MmLYP1), хомолог на CEBiP, има инхибиторен ефект върху неразтворимия хитин и разчита на LysM-съдържащи протеини 2 (MmLYK2, CERK1 хомолог) по време на инфекции от аскомицети [60]. В памука две кинази, подобни на LysM рецептор, Gh-LYK1 и Gh-LYK2, имат известен ефект върху устойчивостта на памука към Verticillium wilt. Всичките три домена LysM на Gh-LYK1 и Gh-LYK2 са необходими за тяхната способност за свързване с хитин, а индуцираното от вируса генно заглушаване (VIGS) на Gh-LYK1 и Gh-LYK2 в памуковите растения компрометира устойчивостта към Verticillium dahliae.

Въпреки това, Gh-LYK2 и Gh-LYK1 могат да допринесат различно за защитата в памука. Gh-LYK2, но не Gh-LYK1, е псевдокиназа и ED на Gh-LYK2 може да индуцира изблик на ROS в растенията [58]. GhWAK7A в памука взаимодейства директно с GhLYK5 и GhCERK1 и насърчава индуцираната от хитин GhLYK5–GhCERK1 димеризация, която играе съществена роля в индуцирания от хитин отговор [61]. В допълнение, LysM-тип рецептор-подобен протеин 1 (LYP1), LysM-съдържаща рецептор-подобна киназа 7 (LYK7) и извънклетъчен LysM протеин 3 (LysMe3) са мембранни рецептори, които разпознават хитинови сигнали, които могат да активират защитни процеси надолу по веригата и да повишат устойчивостта към V. dahliae [62]. За разлика от ориз OsCERK1, LysM протеините в доматите представляват значителна функционална дивергенция [63]: в доматите SlLYK10 и SlLYK12 участват в регулирането на AM симбиозата, SlLYK1 участва в индуцирания от хитин имунен отговор и SlLYK13 участва в клетъчната смърт [57]. ,64]. Хомологът AtCERK1 от ябълка, MdCERK1, подобрява резистентността към Alternaria alternata [59]. Pteris ryukyuensis chitinase-A (PrChiA) има хитин-свързваща и противогъбична активност [65], докато Equisetum arvense chitinase-A (EaChiA) не [66]. Основната структурна разлика между PrChiA и EaChiA е броят на LysM домените [66], но няма данни, които да предполагат, че това е свързано с разликите в противогъбичната активност. В допълнение, присъствието на LysM протеини в ябълки, грозде, картофи и ябълкови дървета също е идентифицирано и доказано, че участва в индуцирани от хитин имунни отговори [59,67–69]. LysM протеините в грах, петунии и люцерна участват в растителната АМ симбиоза [70–73].

3. LysM инхибира предаването на хитинови сигнали при гъбичките

Много гъбични патогени кодират екзозомни ефектори, съдържащи същия домен LysM като растителните хитинови рецептори. Повечето гъбични патогени инхибират индуцирания от хитин растителен имунитет чрез блокиране на усещането или сигнализирането на хитин [74–79]. Ecp6 в Cladosporium flavum, първият открит ефектор на LysM домен, хелатира хитин по време на инфекция [74]. Хитиновите олигозахариди, освободени от клетъчната стена на нахлуващия мицел чрез клетъчен лизис или разградени от растителни хитинази, се свързват с хитиновите олигомери, за да предотвратят възприемането на растенията, блокирайки растителния имунитет, предизвикан от хитин [74,75]. Впоследствие е открита партида от гъбични LysM ефектори, участващи в инхибирането на растителния имунитет.

Извънклетъчните структурни протеини LysM на Colletotrichum higginsianum ChELP1 и ChELP2 на аскомицетната гъба, причиняваща антракноза в растенията, играят двойна роля в прикрепването, клетъчната функция и предизвиканата от хитин имуносупресия на растенията. ChELP1 и ChELP2 играят важна роля в поддържането на вирулентността на гъбичките и способността им да проникват в клетките на епидермиса на Arabidopsis и целофановите мембрани [79]. Фунгализин металопротеазата в царевичната антракнозна гъба Colletotrichum graminicola (Cgfl) съдържа не само два домена LysM, но също и цинкови металопротеинази на запазения каталитичен сайт HEXXH домен и е широко запазена в гъбичките. При заразяване с царевица, Cgfl се експресира специфично по време на биотрофната фаза и беше показано, че гъбата използва както Cgfl-медиирани, така и LysM протеин-медиирани стратегии за контролиране на хитинови сигнали чрез потискане на хитиназната активност на гостоприемника [80]. По същия начин, оризовата гъба Magnaporthe oryzae разчита не само на протеина LysM SLP1, но също и на хомолога MoAa91 (на M. oryzae) с спомагателна активност от семейство 9 протеин (Aa9), който е необходим за повърхностно разпознаване, както и за потискане на индуцирани от хитин имунните реакции на растенията. MoAa91 се регулира от сигнализиране на G протеин (RGS) и RGS-подобни протеини, които са необходими за развитието на апресориума и също е подложен на отрицателна регулация от транскрипционния фактор MoMsn2. Мутантът MoAa91 формира незрели прилепнали клетки в изкуствено индуцирания интерфейс, а мутантите с делеция на ген значително намаляват патогенността.

По-нататъшни проучвания показват, че MoAa91 се секретира в екзозомалното пространство, където се свързва с хитина и хитиновите олигозахариди, като се конкурира с оризовия имунен рецептор CEBiP, което води до инхибиране на индуцираните от хитин имунни отговори на растението [81]. Протеинът ZtGT2 от патогена на пшеницата Zymoseptoria tritici има функцията да поддържа най-външната повърхност на клетъчната стена на гъбичките, като помага за разширяването на хифите върху твърдите повърхности. Той е широко разпространен в гъбите и загубата му води до загуба на вирулентност на патогена върху повърхността на гостоприемника, произтичаща от недостатъка в хифалното разширение. Мутация в ZtGT2 ортолога в патогенната гъба Fusarium graminearum води до конститутивно повишена експресия на няколко трансмембрани и секретирани протеини, включително важния LysM домейн Zt3LysM, LysM домейн хитин-свързващ вирулентен ефектор. Въпреки че адхезията към листните повърхности не е засегната при родствените F. graminearum мутанти, тежко увреждане на растежа на хифите при мутантите е довело до подобна загуба на патогенност при тази таксономично несвързана гъба върху житните класове [82].

Mycosphaerella graminicola, причиняваща болестта Septoria tritici blotch на пшеницата, носи ефекторите Mg1LysM и Mg3LysM, които са хомолози на ефекторния протеин извънклетъчен протеин 6 (Ecp6) от биотрофния гъбичен патоген на листната плесен Cladosporium fulvum. Предишна работа показа, че тези гъбични ефектори могат да свързват хитин, като по този начин, от своя страна, защитават гъбичните хифи срещу растителни хитинази, вероятно като помагат на патогена да избегне имунния отговор на гостоприемника, активиран чрез хитинови рецептори CERK1 и CEBiP [76,77]. Структурният протеин LysM на Magnaporthe grisea, секретиращ ефекторен протеин, секретиран LysM протеин 1 (SLP1) и ефектор LysM на Rhizoctonia solani (RsLysM) инхибират предизвикания от хитин имунитет чрез свързване на хитин, но не могат да защитят хифите от хидролиза [76,77, 83]. Изследване на 18 предполагаеми LysM протеини в Penicillium spp. установяват, че нивата на експресия на PeLysM1, PeLysM2, PeLysM3 и PeLysM4 са значително повишени по време на патогенна инфекция, но не повлияват вирулентността на гъбичките. Доказано е също, че PeLysM3 регулира кълняемостта на спорите и скоростта на растеж [84].

Въпреки това, гъбичните LysM не винаги участват само в манипулирането на растителния имунитет, което води до вредни ефекти върху гостоприемника. Секретиран LysM ефектор, идентифициран от модела на арбускуларна микориза (AM) гъбични видове Rhizophagus irregularis (RiSLM) е един от най-силно експресираните ефекторни протеини в интрарадикалния мицел по време на симбиоза с гостоприемника Medicago truncatula. Експериментите за свързване in vitro показват, че RiSLM се свързва с хитинови олигозахариди, за да защити клетъчните стени на гъбичките от хитиназа. В допълнение, RiSLM може ефективно да се намеси в имунния отговор, предизвикан от хитин, за да подкопае предизвикания от хитин имунитет по време на симбиоза, което сочи към обща роля на ефекторите на LysM както в симбиотичните, така и в патогенните гъби в някакъв момент от еволюцията [85,{{2} }]. По подобен начин, полезната гъба Trichoderma viride използва ефектори като Tal6, които изолират GlcNAc олигомери, като по този начин пречат на възприемането на получен от гъбички N-ацетилглюкозамин от механизмите за наблюдение на растението, което води до защита на гъбичните хифи от хитиназите на гостоприемника [87].

N-гликозилирането като пост-транскрипционна модификация е типичен механизъм за ефектори, които се използват широко от гъбични патогени за модулиране на способността им да избягват имунитета на гостоприемника [88]. Alg3-медиираното N-гликозилиране на Slp1 е необходимо за неговата протеинова стабилност и афинитет към хитин. N-гликозилирането с помощта на Slp1 е необходимо за избягване на вродения имунитет на гостоприемника [88]. ChELP1 и ChELP2 също са N-гликозилирани [79]. Тези проучвания предполагат, че N-гликозилирането е от съществено значение и е обичайна модификация за гъбични LysM ефектори за постигане на ултра-висок афинитет към хитин [88]. Мащабна идентификация и сравнение на N-гликозилирани протеини на различни етапи на биологично развитие на патогенната гъба Magnaporthe oryzae показа, че са идентифицирани 559 места на N-гликозилиране на 355 протеина; повечето от тях участват в различни процеси на биологично развитие, като мицел, конидия и клетъчно прикрепване и диференциация [89].

4. LysM блокира манипулирането на имунитетните реакции между растенията и патогените

Настоящият възглед за индуцируемите защитни реакции при взаимодействията растение-патоген е добре уловен в така наречения зигзагообразен модел. В този модел първата индуцирана защита се активира от PRRs, а PRRs са рецептори на клетъчната повърхност, които разпознават MAMP [90]. Този защитен отговор включва локално укрепване на клетъчната стена, производство на реактивни кислородни видове и производство и освобождаване на антимикробни съединения, които заедно предотвратяват повечето микробни инвазии [1,3,7,90]. Когато патогените успешно преодолеят защитата на гостоприемника чрез използване на секретирани ефектори, се установява задействана от ефектора чувствителност, която е ключов елемент от зигзагообразния модел [1]. LysM протеините, важните членове, които присъстват както в растенията, така и в гъбите, трябва да играят важна роля за свързване на модулацията на имунитета между растенията и патогените.

По време на взаимодействията гъбички-растение, когато гъбичките пробиват бариерата на първото растение и се ангажират с повърхността на гостоприемника, растителните LysM протеини работят като PRRs за разпознаване на хитин и предизвикване на имунитет. Растението използва секреторна хитиназа, за да хидролизира клетъчната стена на гъбичките, за да освободи свободен олигохитин. Впоследствие, защитните сигнали се предават от LysM цитоплазмената киназа надолу по веригата, задействайки имунния отговор на растението за потискане на пролиферацията на гъбичките. Обратно, гъбите секретират LysM протеини, за да потиснат имунитета, предизвикан от хитин. Микробните LysM протеини защитават гъбичната клетъчна стена от хидролиза чрез свързване към най-външната повърхност или конкуриране с растителните LysM рецептори, за да свържат хитинови фрагменти и в крайна сметка да преодолеят растителния имунитет, за да улеснят гъбичната инфекция.

По този начин протеините LysM свързват манипулацията на имунитета между растенията и патогените. Това е добре доказано при Verticillium spp. В памука няколко протеина LysM имат определен ефект върху устойчивостта на памука към вертицилийно увяхване, включително Gh-LYK1, Gh-LYK2 и GhLYK5 [58], чрез тяхната способност за свързване с хитин. При V. dahliae ефектът на LysM от Vd2 допринася за вирулентността на патогена и свързва хитина, за да потисне предизвиканите от хитин имунни отговори, като по този начин защитава гъбичните хифи срещу хидролиза от хидролитичните ензими на растението [91]. Патогените не само използват LysM ефектори, за да блокират имунитета на растенията, като взаимодействат с хитиновия полимер за защита на мицела, тъй като Verticillium alfalfa също отделя Verticillium nonalfalfae хитин-свързващ протеин (VnaChtBP), съдържащ въглехидратно-свързващ мотив 18 (CBM18) домен, който взаимодейства с хитиновият полимер [92]. В допълнение, скорошно проучване на V. dahliae установи, че делецията на полизахарид деацетилазен ген (VdPDA1) сериозно повлиява патогенността на V. dahliae [93]. VdPDA1 има силна хитинова олигомерна деацетилазна активност върху разтворими хитинови олигозахариди в алкална среда. По-нататъшни проучвания разкриха, че деацетилираните хитинови олигозахариди възпрепятстват разпознаването на LysM рецепторите, което води до блокиране на предаването на хитин-чувствителни имунни сигнали във вътреклетъчното, което потиска имунния отговор на гостоприемника по време на гостоприемник-V. далии взаимодействие [93]. Следователно патогенните гъбички могат да блокират сигнализирането на хитин чрез (1) секретиране на извънклетъчни телесни ефектори с висок афинитет към хитинови олигомери, (2) секретиране на ефектори, които се конкурират с хитина за свързване с растителни LysM рецепторни кинази, (3) деацетилиране на хитин, за да се избегне имунният отговор

5. Изводи и перспективи за бъдещи изследвания

Коеволюционната надпревара във въоръжаването между гъби и растения води до защитна реакция на растенията към гъбичен хитин чрез манипулиране на имунитета между растения и патогени. Успешните гъби са развили LysM ефекторни протеини, които пречат на имунните отговори, медиирани от LysM на растенията, които в крайна сметка водят до чувствителност на растенията. На свой ред, растенията са развили LysM рецептори, за да стимулират защитните реакции. Когато гъбичките еволюират, за да произвеждат нови LysM ефектори или да пречат на имунитета на гостоприемника по други начини, се смята, че растенията също ще реагират с нови LysM рецептори, за да поддържат растителния имунитет.

Далеч от разбирането на LysM протеините в растенията и гъбите, приоритетните въпроси за стимулиране на изследванията в близко бъдеще включват следното: (1) настоящото разбиране на гъбичните LysM ефектори и техните инхибиторни механизми в сигнализирането на растителния хитин се нуждае от по-нататъшен напредък, включително възникващите ролята на други гъбични ефектори, участващи във взаимосвързващата модулация на имунитета както от гостоприемника, така и от патогена, или откриването на неизвестни растителни LysM рецептори и др.; (2) идентифициране на различните/общи характеристики на LysM протеини на растения и гъби и техните еволюционни връзки (това би улеснило разбирането на съвместната еволюция на това как LysM свързва манипулацията на имунитета между растенията и патогените); (3) с изключение на функцията за манипулиране на имунитета по време на взаимодействията растение-гъба, какви са другите функции на протеините LysM, особено при гъбите (в допълнение към членовете, участващи в манипулирането на имунитета, биологичните функции на някои други членове на протеините LysM все още са неясен); и (4) гъбични LysM протеини действат като ефектори за защита на клетъчната стена от хидролиза от растителни хитинази и манипулиране на имунитета по време на взаимодействия растение-гъба. Въпреки това, ролята на протеините LysM в симбиозата на АМ също се нуждае от по-нататъшно изследване, за да се улесни използването на полезни микроби за здравето на растенията и да се постигне устойчива продоволствена сигурност.

Авторски принос:

X.-YY и X.-FD замислиха темата на доклада. S.-PH написа първоначалния проект. J.-JL, J.-PL и WJ участваха в подготовката и прегледа на ръкописа. ND и J.-YC предоставиха помощ при редактиране. Всички автори са прочели и са съгласни с публикуваната версия на ръкописа.

Финансиране:

Тази работа беше подкрепена от безвъзмездни средства от Националната ключова програма за научни изследвания и развитие на Китай (2018YFE0112500), Програмата за елитна младеж (Китайска академия на селскостопанските науки, CAAS) на J.-YC, безвъзмездна помощ от Програмата за иновации в селскостопанските науки и технологии на X. -FD и безвъзмездна помощ от Националната природонаучна фондация на Китай (32001845) на WJ

Изявление на институционалния съвет за преглед:

Не е приложимо.

Декларация за информирано съгласие:

Не е приложимо.

Декларация за наличност на данни:

Не е приложимо.

Благодарности:

Предварително се извиняваме на всички изследователи, чиито изследвания не могат да бъдат цитирани по подходящ начин поради ограничения на пространството. Изказваме специални благодарности на Krishna V. Subbarao (Университет на Калифорния, Дейвис) за техните полезни предложения.

Конфликти на интереси:

Авторите декларират липса на конфликт на интереси.

Препратки

1. Zipfel, C. Рецептори за разпознаване на растителни модели. Тенденции Immunol. 2014, 35, 345–351. [CrossRef]

2. Нюрнбергер, Т.; Kemmerling, B. Рецепторни протеин кинази - рецептори за разпознаване на модели в имунитета на растенията. Тенденции Plant Sci. 2006, 11, 519–522. [CrossRef]

3. Лу, Й.; Tsuda, K. Интимна асоциация на PRR- и NLR-медиирано сигнализиране в растителния имунитет. Mol. Взаимодействие с растителни микроби. 2021, 34, 3–14. [CrossRef]

4. Ли, Б.; Лу, Д.; Shan, L. Убиквитиниране на рецептори за разпознаване на образи в вродения имунитет на растенията. Mol. Растителен патол. 2014, 15, 737–746. [CrossRef]

5. Chisholm, ST; Коукър, Г.; Ден, Б.; Staskawicz, BJ Взаимодействия гостоприемник-микроб: Оформяне на еволюцията на имунния отговор на растенията. Cell 2006, 124, 803–814. [CrossRef] [PubMed]

6. Ю, X.; Фън, Б.; Той, П.; Shan, L. От хаос към хармония: Отговори и сигнализиране при разпознаване на микробен модел. Annu. Фитопатол. 2017, 55, 109–137. [CrossRef] [PubMed]

7. Нюман, Масачузетс; Сънделин, Т.; Nielsen, JT; Erbs, G. MAMP (молекулен модел, свързан с микроби) предизвиква имунитет в растенията. Отпред. Plant Sci. 2013, 4, 139. [CrossRef] [PubMed]

8. Cui, H.; Цуда, К.; Parker, J. Имунитет, задействан от ефектор: от възприемане на патоген до стабилна защита. Annu. Rev. Plant Biol. 2015, 66, 487–511. [CrossRef]

9. Дъби, М.; Vélëz, H.; Broberg, M.; Jensen, DF; Karlsson, M. Clonostachys rosea LysM протеини регулират развитието на гъбичките и допринасят за защитата на хифите и характеристиките за биоконтрол. Отпред. Microbiol. 2020, 11, 679. [CrossRef] [PubMed]

10. Буист, Г.; Steen, A.; Кок, Дж.; Kuipers, OP LysM, широко разпространен протеинов мотив за свързване към (пептид) гликани. Mol. Microbiol. 2008, 68, 838–847. [CrossRef]

11. Dworkin, J. Откриване на гъбични и бактериални въглехидрати: Подобните структури на хитин и пептидогликан играят ли роля в имунната дисфункция? PLoS Pathog. 2018, 14, e1007271. [CrossRef] [PubMed]

12. Ой, В.; Вуонг, Т.; Харди, Р.; Reidler, J.; Дангл, Дж.; Herzenberg, L.; Stryer, L. Нуклеотидна последователност на Bacillus phage phi 29 гени 14 и 15: Хомология на ген 15 с други фагови лизозими. Nucleic Acids Res. 1986, 14, 10001–10008.

13. De Wit, PJ; Мехраби, Р.; Ван ден Бург, Хава; Stergiopoulos, I. Гъбични ефекторни протеини: минало, настояще и бъдеще. Mol. Растителен патол. 2009, 10, 735–747. [CrossRef] [PubMed]

14. Джан, XC; Кенън, SB; Stacey, G. Еволюционна геномика на LysM гени в сухоземни растения. BMC Evol. Biol. 2009, 9, 183. [CrossRef]

15. Джан, XC; Кенън, SB; Stacey, G. Молекулярна еволюция на лизинов мотив тип рецептор-подобни кинази в растенията. Физиология на растенията. 2007, 144, 623–636. [CrossRef]

16. Мия, А.; Алберт, П.; Шиня, Т.; Desaki, Y.; Ичимура, К.; Ширасу, К.; Нарусака, Y.; Kawakami, N.; Kaku, H.; Shibuya, N. CERK1, LysM рецепторна киназа, е от съществено значение за сигнализирането на хитинов елиситор в Arabidopsis. Proc. Natl. акад. Sci. САЩ 2007, 104, 19613–19618. [CrossRef]

17. Шимизу, Т.; Накано, Т.; Takamizawa, D.; Desaki, Y.; Иши-Минами, Н.; Nishizawa, Y.; Минами, Е.; Окада, К.; Yamane, H.; Kaku, H.; et al. Две LysM рецепторни молекули, CEBiP и OsCERK1, съвместно регулират сигнализирането на хитинов елиситор в ориза. Plant J. 2010, 64, 204–214. [CrossRef]

18. Уан, Дж.; Джан, XC; Neece, D.; Рамонел, KM; Клъф, С.; Ким, SY; Стейси, MG; Stacey, G. LysM рецептор-подобна киназа играе критична роля в хитиновото сигнализиране и гъбичната резистентност в Arabidopsis. Растителна клетка 2008, 20, 471–481. [CrossRef]

19. Ийзаса, Е.; Мицутоми, М.; Nagano, Y. Директно свързване на растителна LysM рецептор-подобна киназа, LysM RLK1/CERK1, с хитин in vitro. J. Biol. Chem. 2010, 285, 2996–3004. [CrossRef] [PubMed]

20. Бротман, Й.; Ландау, У.; Пнини, С.; Lisec, J.; Balazadeh, S.; Mueller-Roeber, B.; Zilberstein, A.; Willmitzer, L.; Чет, И.; Viterbo, A. LysM рецептор-подобната киназа LysM RLK1 е необходима за активиране на защитни и абиотични реакции на стрес, индуцирани от свръхекспресия на гъбични хитинази в растения Arabidopsis. Mol. Завод 2012, 5, 1113–1124. [CrossRef]

21. Чен, Л.; Хамада, С.; Фудживара, М.; Жу, Т.; Thao, NP; Wong, HL; Кришна, П.; Уеда, Т.; Кавазаки, Т.; Shimamoto, K. Комплексът Hop/Sti1-Hsp90 шаперон улеснява съзряването и транспортирането на PAMP рецептор във вродения имунитет на ориза. Cell Host Microbe 2010, 7, 185–196. [CrossRef] [PubMed]

22. Акамацу, А.; Wong, HL; Фудживара, М.; Окуда, Дж.; Нишида, К.; Уно, К.; Имаи, К.; Умемура, К.; Kawano, Y.; Шимамото, К. Модул OsCEBiP/OsCERK1-OsRacGEF1-OsRac1 е съществен ранен компонент на имунитета на ориз, предизвикан от хитин. Клетъчен гостоприемник микроб 2013, 13, 465–476. [CrossRef]

23. Шиня, Т.; Ямагучи, К.; Desaki, Y.; Ямада, К.; Нарисава, Т.; Кобаяши, Й.; Маеда, К.; Сузуки, М.; Танимото, Т.; Takeda, J. Селективна регулация на индуцираната от хитин защитна реакция от рецептор-подобната на Arabidopsis цитоплазмена киназа PBL27. Растение J. 2014, 79, 56–66. [CrossRef] [PubMed]

24. Ямагучи, К.; Ямада, К.; Ишикава, К.; Йошимура, С.; Хаяши, Н.; Учихаши, К.; Ишихама, Н.; Киши-Кабоши, М.; Takahashi, A.; Tsuge, S. Рецепторно-подобна цитоплазмена киназа, насочена от ефектор на растителен патоген, се фосфорилира директно от хитиновия рецептор и медиира имунитета на ориза. Клетъчен гостоприемник микроб 2013, 13, 347–357. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com