Разбиране и използване на посттранслационни модификации за устойчивост на болести по растенията Част1

Резюме:

Растенията са постоянно застрашени от патогени, така че са развили сложни защитни сигнални мрежи за преодоляване на атаките на патогени. Посттранслационните модификации (PTMs) са основни за имунитета на растенията, позволявайки бързи и динамични реакции в подходящия момент. Регулирането на PTM е от съществено значение; патогенните ефектори често нарушават PTMs в опит да избегнат имунните отговори.

Тук ние обхващаме механизмите на устойчивост на болести към патогени и как растежът е балансиран със защитата, с акцент върху основните роли на PTM. Промяната на PTM, свързани със защитата, има потенциала да прецизира молекулярните взаимодействия за производство на устойчиви на болести култури, без компромиси в растежа и годността.

Механизмите на резистентност са тясно свързани с имунитета. Механизмите за резистентност включват защитната система на организма срещу бактерии, вируси и други чужди субстанции, главно включително кожни и лигавични бариери, неспецифични клетъчни защити, възпалителни реакции и специфични имунни защити. Резистентността е тясно свързана с имунитета. Ние също трябва да подобрим имунитета в нашето ежедневие. Месната паста съдържа различни биологично активни съставки, като полизахариди, гъби и жълти лилии. Тези съставки могат да стимулират имунната система на различни видове клетки, повишавайки тяхната имунна активност.

Кликнете върху добавката Cistanche deserticola

Ключови думи:

посттранслационни модификации; растителен имунитет; фосфорилиране; убиквитиниране; SUMOилиране; отбрана.

1. Въведение

Растежът и оцеляването на растенията са постоянно застрашени от биотичен стрес, включително растителни патогени, състоящи се от вируси, бактерии, гъбички и хромиста. В контекста на селското стопанство загубите на добив от култури, дължащи се на патогени, се оценяват на около 20 процента в световен мащаб при основните култури [1]. Разпространението на вредители и болести в нови среди се увеличава: повече екстремни метеорологични явления, свързани с изменението на климата, създават благоприятна среда за патогени, пренасяни от храната и водата [2,3].

Значителните оценки на загубите на култури от патогени подчертават необходимостта от разработване на култури с характеристики за устойчивост на болести срещу настоящи и нововъзникващи патогени. Методите за защита на културите имат ниска ефективност срещу патогени, което включва фунгициди и инсектициди, които контролират предаването на вируси от насекоми; освен това устойчивостта срещу тези химикали нараства [4,5]. Резистентността се отнася до неспособността на патогена да завърши своя жизнен цикъл върху този растителен вид [6]; насочването към резистентност на гостоприемника за подобряване е най-икономичният и ефективен метод за контролиране на намаляването на загубите на реколта от болест [7–9].

Разработването на нови решения на този нарастващ проблем изисква по-задълбочено разбиране на защитните механизми на растенията. Отвъд генната експресия и транскриптомиката, протеомиката е особено полезна, тъй като може директно да измерва относителното изобилие на протеини, както и да открива пост-транслационни модификации (PTM) [10]. PTM могат да активират, дезактивират или променят протеиновата функция, за да индуцират или отслабят специфични реакции на растенията. Анализът на ниво протеин може да разкрие мишени патоген-гостоприемник, оборот на протеини и взаимодействия протеин-протеин в защитната сигнализация за модифициране и повишаване на имунитета в културите [11]. Този преглед очертава функциите на PTM в имунитета и потенциала за манипулиране на PTM за повишаване на устойчивостта към болести.

2. Рамката за защита на растенията

Поради тяхната сесилна природа, растенията разчитат в голяма степен на химически защити срещу биотичен и абиотичен стрес [11]. Растенията постоянно са изправени пред предизвикателства от биотичен стрес: инфекцията с патогени уврежда растежа, възпроизводството и оцеляването на растенията. Растенията имат защитни системи за преодоляване или намаляване на патогенните атаки, които включват физически бариери за предотвратяване навлизането на патогени и вродена имунна система, която да реагира на патогенни атаки [12].

Индуцируемата вродена имунна система на растенията се състои от PAMP-задействан имунитет (PTI) и ефекторно задействан имунитет (ETI), които значително се припокриват (Фигура 1) [13–16]. Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) се използва като преобладаваща моделна система за изследване на молекулярните събития на защитния сигнален път, но цялостната система е запазена при едносемеделните и двусемеделните [17]. Консервираните молекулярни структури от микроби, известни като свързани с патогени молекулярни модели (PAMP), се разпознават от рецептори за разпознаване на образи на клетъчната повърхност (PRRs), задействайки имунни отговори надолу по веригата [13,18,19]. Добре дефинирани PAMP-PRR взаимодействия са бактериален флагелинов пептид flg22 и неговия сроден рецептор FLAGELLING-SENSING 2 (FLS2) [20,21], бактериален фактор на удължаване, термично нестабилен (EFTu) и неговия рецептор EF-Tu рецептор (EFR) [22, 23], и полизахаридът на гъбичната клетъчна стена хитин и неговият рецептор ХИТИН ЕЛИЦИТОР РЕЦЕПТОР КИНАЗА 1 (CERK1) [24,25]. Тези PRRs са рецептор-подобни кинази, които инициират каскада на фосфорилиране, за да активират свързани със защитата ензими или гени [26] (Фигура 1).

Няколко ефектора се секретират от патогена, за да нарушат клетъчната функция по време на инфекцията. За разлика от PAMP, ефекторите са разнообразни и включват протеини, sRNA, химикали, токсини и хормони, които увеличават патогенната инфекция, като благоприятстват патогена или потискат защитата на гостоприемника. Вътреклетъчните рецептори, наречени нуклеотид-свързващ домен, протеини, съдържащи повторения, богати на левцин (NLRs, известни също като NB-LRRs), откриват специфични ефектори, доставени в растителната клетка, за да задействат имунитет, предизвикан от ефектор (ETI). NLR могат сами да откриват ефектори или да функционират като помощници за задействане на сигнална трансдукция [27]. Откриването чрез NLR е или директно (модел рецептор-лиганд), или в повечето случаи индиректно чрез механизмите на „защита“ или „примамка“ [28,29]. Двете основни групи NLRs са Toll-интерлевкин-1 рецептор-подобен нуклеотид-свързващ сайт, богат на левцин повтор (TNL) и навита спирала (CC)-NBSLRR (CNL) [27,30].

Освен това устойчивостта към брашнеста мана 8 (RPW8)-NBS-LRRs (RNLs) функционира като помощни NLRs [31,32]. Протеините надолу по веригата на активирането на NLR включват РЕЗИСТЕНТНОСТ НА НЕСПЕЦИФИЧНА ЗА РАСА ЗАБОЛЯВАНЕ 1 (NDR1) и ПОВИШЕНА ЧУВСТВИТЕЛНОСТ ЗА ЗАБОЛЯВАНЕ 1 (EDS1) [33] (Фигура 1). Тези пътища водят до резултати, включително натрупване на салицилова киселина и активиране на защитен ген [34,35].

Молекулярни и физиологични промени, индуцирани след PRRs и NLRs, включват активиране на митоген-активирана протеин киназа (MAPK), производство на реактивни кислородни видове (ROS), затваряне на устицата, експресия на защитен ген, свръхчувствителен отговор (HR) и клетъчна смърт, отлагане на калоза и лигнификация , намаляване на фотосинтезата, повишено дишане и експресия на СВЪРЗАНИ С ПАТОГЕНЕЗАТА (PR) протеини и производство на антимикробни съединения [10,11,36–38]. Възприемането на патогена предизвиква промени в нивата на хормоните, включително салицилова киселина (SA), която медиира защитата срещу биотрофи и хеми-биотрофи и жасмонова киселина (JA)/етилен, която медиира защитата срещу некротрофи [39].

Разбирането на защитния отговор на растенията в моделния организъм Arabidopsis или културите не е пълно. Много изследвания са разчитали на геномна или транскриптомика; обаче транскрипционните промени не отразяват пълните клетъчни регулаторни процеси, тъй като посттранскрипционните процеси, които променят количеството на активния протеин, синтеза, разграждането, обработката и модификацията на протеините не се вземат предвид.

По този начин са необходими допълнителни подходи като профилиране на експресия, базирано на протеоми, за да се получи пълна картина на регулаторните елементи във взаимодействията растение-патоген [40]. На почти всеки етап от отбраната PTM са важни, позволявайки бързо активиране и сигнализиране; PTM действат като молекулярни превключватели, за да променят бързо протеиновите функции [41,42]. Този преглед разглежда PTMs в подобряването на културите, наред с други подходи. Модификацията на PTM може да предложи по-нюансиран подход и да провокира по-малко наказание за добив, отколкото генни нокаути или генно въвеждане.

3. Посттранслационните модификации имат критична роля в отбраната

Посттранслационните модификации са критични за защитните реакции на растенията и участват в почти всеки аспект от растежа и развитието на растенията. PTM позволяват протеиновата функция да бъде разширена над тази на неговата структура, определена от първичната аминокиселинна последователност, за да контролира почти всички характеристики на протеиновата функция. PTM системите са насочени към множество патогенни ефектори; следователно, PTMs си струва да се изследват по отношение на модификацията и експлоатацията в културите. Тази работа ще се фокусира върху фосфорилирането, убиквитинирането и SUMOylation, най-добре проучените PTM, които са обратими (Фигура 2). Други, които трябва да се споменат накратко, са N-миристоилиране, S-ацилиране, S-нитрозилиране, ацетилиране, гликозилиране, сулфониране и редокс модификация, които също играят роля в имунитета [42,43], но не са обхванати в този преглед. Обратимостта е от решаващо значение за регулиране на интензивността и продължителността на протеиновата активност и защитния отговор [44].

Фигура 2. Пътища на посттранслационна модификация. Фосфорилирането е процес, катализиран от протеин кинази, при който фосфатна група (PO4) се прехвърля от АТФ върху хидроксилните групи на страничната верига на серинови, треонинови или тирозинови остатъци на целевия протеин. Фосфатазите хидролизират фосфодиестерната връзка, за да отстранят фосфатната група. Убиквитинирането включва последователното действие на убиквитин-активиращите ензими (Е1), убиквитин-конюгиращите ензими (Е2) и убиквитин-протеинови лигази (Е3) за ковалентно прикрепване на убиквитин към целевия лизин.

Различните убиквитинови връзки и дължини на веригата имат различни функции; например K48-свързаният тетраубиквитин е насочен към протеина за 26S протеазомно разграждане. Деубиквитиниращите ензими (DUBs) катализират деубиквитинирането. SUMOylation е аналогично на убиквитинирането и включва последователното действие на SUMO E1, E2 и E3 ензими за ковалентно прикрепване на SUMO към целевия лизин. SUMO се синтезира като неактивен прекурсор, чийто С-терминален пептид е разцепен от SUMO протеаза, излагаща на показ диглициновия мотив. SUMO протеазите също катализират отстраняването на SUMO.

3.1. Фосфорилиране

Фосфорилирането е от първостепенно значение в няколко аспекта на имунитета за контролиране на ензимната активност и в сигнализирането. Фосфорилирането е от решаващо значение в отговорите на PRR надолу по веригата чрез каскади на фосфорилиране; фосфорилирането е бързо и преходно превключване (Фигура 2) и е от съществено значение за трансдукцията на имунния сигнал [42]. Възприемането на лиганд в няколко PRRs стимулира набирането на корецептор BRI1-СВЪРЗАНА РЕЦЕПТОРНА КИНАЗА (BAK1) (известна също като СОМАТИЧНА ЕМБРИОГЕНЕЗНА РЕЦЕПТОРНА КИНАЗА 3 (SERK3)), която хетеродимеризира с няколко рецептороподобни кинази (RLKs), включително FLS2 , НЕЧУВСТВИТЕЛЕН КЪМ БРАСИНОСТЕРОИД -1 (BRI1) и EFR [45]. BAK1 е различно фосфорилиран, когато е в комплекс с различни PRR комплекси [46]. ИНДУЦИРАНАТА ОТ BOTRYTIS КИНАЗА 1 (BIK1) е субстрат на BAK1 и двойката е включена в много защитни сигнални пътища. Автофосфорилирането и трансфосфорилирането са от съществено значение както за BIK1, така и за BAK1 в тяхното взаимодействие и взаимодействие с други компоненти надолу по веригата в предаването на сигнала [45]. Дисоциацията на BIK1 активира низходящо сигнализиране, като активиране на MAPK каскади, транскрипционно препрограмиране и производство на ROS [47,48]. BIK1 директно фосфорилира респираторен взрив оксидазен хомолог протеин D (RbohD), NADPH оксидаза, която произвежда ROS взрив, за да индуцира стоматално затваряне и да действа като антимикробни молекули [49,50].

BAK1 е ключова киназа в растителния имунитет, която сама по себе си притежава многобройни места за фосфорилиране, за да регулира специфични резултати, както е показано от проучвания за мутагенеза. Някои места на фосфорилиране имат положителни ефекти, а някои имат отрицателни ефекти върху функцията на BAK1 [51,52]. Мутацията T455A (треонин към аланин) премахва активността на BAK1 киназата, а запазеният BAK1 остатък Y403 е важен за индуцираното от лиганда активиране на имунния рецепторен комплекс [53]. Моделите на фосфорилиране са специфични за медииране на отговора, позволяващ на BAK1 да регулира защитата и брасиностероидното сигнализиране.

Например, предполага се, че специфични BAK1 мутантни варианти BAK1C408Y и BAK1T450A провокират различни модели на фосфорилиране върху специфични рецептори. Това заключение беше направено, тъй като мутантните фенотипове BAK1C408Y и BAK1T450A показват нарушена защитна сигнализация, но с див тип (WT)-подобна на BAK1-медиирана брасиностероидна (BR) сигнализация [53,54]. Тези фенотипове са различни от BAK1 нулевия алел; по този начин, ясни мутации в специфични остатъци могат да променят фенотипа [46,55]. Интересно е, че мутацията в C408 намалява фосфорилирането на Y403, показано с помощта на специфично pY403 антитяло, което подчертава, че остатъците около мястото на прикрепване на PTM могат да повлияят на статуса на PTM [56]. Този подход на мутагенеза към потенциално мутиращи остатъци, заобикалящи PTM, може да бъде изгоден за стабилизиране/дестабилизиране на PTM, без да блокира образуването на PTM, за намаляване или засилване на взаимодействията при някои обстоятелства.

Ясно е, че фосфорилирането е централно за защитата в сигналната трансдукция [57]; активирането на MAPKs MPK3, MPK4 и MPK6 (MPK3/4/6) е отличителен белег на активирането на имунната система и е от решаващо значение за установяване на резистентност към болести [58]. Всички известни PRRs активират две MAPK каскади (Фигура 1), състоящи се от MAPK киназа (MKKK), MAPK киназа (MKK) и MAPKs: MAPKKK3/MAPKKK5-MKK4/MKK5-MPK3/MPK6, което регулира положително защита и MEKK1 - MKK1/MKK2-MPK4, който регулира негативно имунните отговори [58–62]. Фосфорилирането на низходящи субстрати като WRKY транскрипционни фактори причинява транскрипционни промени [63]. Например, WRKY33 е субстрат на MPK3/6, който активира транскрипцията на PHYTOALEXIN DEFICIENT 3 (PAD3), кодиращ цитохром P450 ензим (CYP71B15), който извършва последната стъпка от биосинтезата на камалексин, причинявайки индукция на камалексин, който има антимикробни ефекти [63]. ,64].

Освен това, активирането на MPK3/6 е критично за включване на инхибиране на фотосинтезата за насърчаване на натрупването на ROS в хлоропластите и клетъчната смърт на HR [65]. Освен това, MPK4 е насочен към Pseudomonas syringae бактериален тип III ефектор HopAI1 и действа като пазител на NLR СУПРЕСОР НА MKK1 MKK2 2 (SUMM2) [66]. Разрушаването на каскадата MEKK1-MKK1/2-MPK4 киназа води до конститутивни имунни отговори, медиирани от NLR протеин SUMM2 [67].

Обратимостта е от първостепенно значение за контролиране на състоянията на фосфорилиране за регулиране на сигналната трансдукция, конститутивното активиране на защитата води до дефекти в растежа [68]. Фосфорилирането на PRR комплекси, включително FLS2-BAK1-BIK1, се регулира отрицателно от ПРОТЕИН ФОСФАТАЗА ТИП 2A (PP2A) и ПРОТЕИН ФОСФАТАЗА ТИП 2C (PP2C) [42,69,70].

По подобен начин CERK1-ВЗАИМОДЕЙСТВУВАЩАТА ПРОТЕИН ФОСФАТАЗА 1 (CIPP1) дефосфорилира CERK1, в отсъствието на хитин, за да регулира отрицателно сигнализирането на CERK1 [71]. Фосфатазите ARABIDOPSIS PHOSPHATASE 2Cs (AP2Cs) взаимодействат с MPK3, 4 и 6, за да регулират негативно вродения имунитет срещу некротрофния гъбичен патоген Botrytis cinerea [72,73]. MAP KINASE PHOSPHATASE1 (MKP1) и PROTEIN TYROSINE PHOSPHATASE1 (PTP1) действат като репресори на неподходящо MPK3/MPK6-зависимо стресово сигнализиране [74,75]. Освен това фосфорилирането може да доведе до дефосфорилиране с обратна връзка; например, MKP1 се фосфорилира от MPK6, един от субстратите на MKP1 [76].

3.2. Убиквитиниране

Убиквитин (Ub) е ковалентно свързан към специфични лизинови остатъци на целеви протеини чрез ензимна каскада, която е обратима (Фигура 2) [77]. Повечето убиквитилирани протеини, особено тези, модифицирани с полиубиквитинови вериги, свързани с лизин48 (К48), са насочени към разграждане от 26S протеазомата [78,79]. Независимо от това, убиквитинирането има няколко функции, включително сигнализиране, ендоцитен трафик и т.н., в зависимост от специфичната връзка на прикрепването [80,81]. Убиквитиновата система е необходима за вродения имунитет и неговата регулация [82,83].

Например, експресията на убиквитинов вариант с промяна на K48R (лизин към аргинин) предотвратява прикрепването на K48 (Фигура 2) и променя отговорите на вирусите в тютюна [82]. K48 е едно от най-разпространените убиквитинови прикрепвания, които причиняват убиквитин-медиирана протеазомна деградация, въпреки че могат да бъдат включени и други връзки [77,84]. Различни ензими на убиквитиновата машина въздействат върху имунитета. Arabidopsis има два Ub E1, UBIQUITIN АКТИВИРАЩ ЕНЗИМ 1 (UBA1) и UBA2, които са частично излишни. Нулевият мутант на UBA1, mos1, е дефектен във вродения имунитет, докато растенията с нулев мутант uba2 нямат дефекти в имунитета. Беше показано, че активирането и сигнализирането надолу по веригата на няколко резистентни (R) протеини изисква Ub E1 UBA1 [83].

Много E3 убиквитин лигази участват в растителния имунитет чрез извършване на убиквитиниране към целевите субстрати [85]. Убиквитинирането е от съществено значение за регулиране на нивата на компонентите на имунната система на растенията чрез обмен на протеини, за да се избегнат прекомерни или неподходящи реакции. Това е илюстрирано от растителния u-box 13 (pub13) мутант, който има засилени имунни отговори при патогенна атака или възприемане на flg22.

Въпреки това, мутантът pub13 демонстрира автоимунни реакции, а именно причиняване на спонтанна клетъчна смърт и натрупване на ROS в отсъствието на стрес, което показва важността на регулирането на PTM [86]. Освен това беше показано, че FLS2 е специфично полиубиквитиниран от убиквитин Е3 лигази PUB12/13, които са насочени към FLS2 за разграждане. Интересно е, че фосфорилирането от BAK1 активира PUB12/13, след като FLS2 свърже флагелин, демонстрирайки отслабването на обратната връзка на FLS2 отговорите и зависимостта от множество PTM в защитната регулация [86]. Активността на BAK1 киназата е от съществено значение за медиирането на нейното взаимодействие с PUB13, тъй като BAK1 киназа-неактивният мутант, който има заместване K317M, вече не може да взаимодейства с PUB13 [87]. PUB13 също убиквитинира LYSM-СЪДЪРЖАЩА РЕЦЕПТОР-ПОДОБНА КИНАЗА 5 (LYK5), насочвайки я за разграждане, за да регулира защитата, предизвикана от хитин (Фигура 1) [88]. Ub E3 лигазата PUB25/26 е насочена към неактивирана имунна киназа BIK1 за разграждане, за да модулира нивата на BIK1 (Фигура 1) [89]. PUB4 взаимодейства с CERK1 и е положителен регулатор на индуцирани от хитин имунни отговори [90].

Свръхнатрупването на NLR често води до автоимунни реакции. За да се предотврати това, NLR протеините SUPPRESSOR OF NPR1-1, CONSTITUTIVE 1 (SNC1) и RESISTANT TO P. SYRINGAE 2 (RPS2) са насочени към убиквитиниране и разграждане от SKP1- CULLIN{{6} }F-box (SCF) комплекс (Cheng et al., 2011). Обратно, Arabidopsis Ub E3 лигази RPM1 ВЗАИМОДЕЙСТВУВАЩ ПРОТЕИН 2 и 3 (RIN2 и RIN3) допринасят положително за NLR РЕЗИСТЕНТНОСТТА КЪМ P. SYRINGAE PV. MACULICOLA 1 (RPM1)- и RPS2-зависим HR (Kawasaki et al., 2005).

Убиквитинирането е от съществено значение, за да се позволи активирането на JA отговори срещу некротрофи. JASMONATE-ZIM-DOMAIN PROTEIN 1 (JAZ) протеините функционират като транскрипционни репресори на JA-реагиращи гени [91]. Биоактивният JA (конюгат на жасмонат-изолевцин (JA-Ile)) насърчава физическото взаимодействие между убиквитин лигазния комплекс SCFCOI1 и JAZ протеините, за да предизвика убиквитин-медиирано протеазомно разграждане на JAZ, за да позволи експресията на JA-зависими гени [91–93].

Въпреки че Ub E3 до голяма степен определят субстратната специфичност [94–97], деубиквитиниращите ензими (DUB) също имат субстратна специфичност [80,98]. Това е важно за имунитета; например, установено е, че деубиквитиниращите ензими Arabidopsis UBIQUITIN-SPECIFIC PROTEASE 12 и 13 (AtUBP12 и AtUBP13) регулират отрицателно имунитета на растенията [99]. Въпреки това, UBP12 и UBP13 са положителни регулатори на отговорите на JA и могат да действат чрез стабилизиране на MYC, което води до потискане на пътя на JA, медииран от SA имунитет [100].

3.3. SUMOилиране

Освен убиквитин, подобните на убиквитин полипептиди са ковалентно конюгирани със субстрати в еукариотите чрез субстратния лизин (Фигура 2). Малък убиквитиноподобен модификатор (SUMO) е друг важен PTM, участващ в отговорите на биотичния стрес на растенията. Глобални промени в SUMOylome възникват при атаки на патогени [101–104]. Например, автоимунният супресор на rps4-rld1-4 (srfr1-4) ​​мутанти показа голямо увеличение на базалните SUMO1/2-конюгати, както и растенията от див тип предизвикан с Pseudomonas syringae pv. домати (Pst)DC3000, в сравнение с WT нетретирани растения.

Като цяло беше установено, че мутантът srfr1-4 и инфектираните с PstDC3000 WT растения споделят 57,9 процента от техните общи SUMO субстрати, които се състоят от широкообхватни мишени. Автоимунните srfr1-4 растения имат повишени нива на SA и конститутивна регулация на PR1/PR2 гени; наблюдава се и задържан растеж [105]. Показателно е, че загубата на EDS1 възстановява SUMOylome в srfr1-4 до нива от див тип (Col-0) и премахва забавянето на растежа и автоимунитета [106]. Следователно SUMOylation и deSUMOylation са от решаващо значение за регулирането на отбраната.

Различните SUMO паралози имат различни функции и различни паралози съществуват в различните видове [107]. В Arabidopsis SUMO1/2 инхибира SA-медиирани защитни реакции в отсъствието на патоген [108]. За разлика от това, SUMO3 насърчава защитните реакции на растенията надолу по веригата на SA [109]. SUMO също образува нековалентни взаимодействия с протеини чрез SUMO взаимодействащи мотиви (SIMs), които улесняват взаимодействията между SUMO-конюгирани протеини и протеинови партньори, включващи SIM място(а) за образуване на протеинов комплекс [107,110].

Промяната на специфичния модел на PTM променя защитните реакции на растението и способността му да устои на болести. Например ПРЕВЪРХУ ТОЛЕРАНТНИЯ КЪМ SALT1 и -2 (OTS1/2) SUMO протеазен двоен мутант ots1ots2 натрупва повишени нива на SUMO конюгати, по-високи нива на SA и повишена резистентност към PstDC3000 в сравнение с WT растенията. Беше установено, че SUMO протеазите OTS1 и OTS2 ограничават биосинтезата на SA чрез потискане на експресията на ISOCHORISMATE SYNTHASE1 (ICS1) и като механизъм за обратна връзка, SA насърчава разграждането на OTS1 и OTS2 за модулиране на SA сигнализиране [101]. По подобен начин SUMO протеазните мутанти в началото на късите дни 4 (esd4) имат високо натрупване на SA [111]. Те показват, че SUMO ензимният механизъм регулира SA-медиираната защита, за да коригира отговора по подходящ начин [101,109].

Друг аспект на SUMO машината за повлияване на защитата е описан от мутант със загуба на функция на sap и miz 1 (siz1) SUMO E3 лигаза Arabidopsis. siz1 растенията имат намалени SUMO конюгати, нанизъм, автоимунен фенотип, характеризиращ се с повишено натрупване на SA, повишена експресия на EDS1, PAD4 и PATHOGENESIS-RELATED (PR) гени и по-голяма резистентност към бактериите PstDC3000, в сравнение с WT растения [112 ]. Автоимунният фенотип siz1 зависи от TNL имунния рецептор SNC1 [113,114]. TOPLESS-RELATED 1 (TPR1), SNC1-взаимодействащ протеин, взаимодейства физически със и се SUMOилира от SIZ1 [115]. Мутация на K282 и K721, критичните места за свързване на SUMOylation на TOPLESS-RELATED 1 (TPR1) предполага, че TPR1 SUMOylation потиска имунитета чрез потискане на неговата транскрипционна ко-репресорна активност.

Това води до експресия на отрицателни регулатори на имунитета DEFENCE NO DEATH 1 (DND1) и DND2. В допълнение, SNC1 е SUMOилиран, което може би допълнително действа за потискане на имунитета в отсъствието на патогени [113,115]. SNC1 транскрипцията се контролира от SUMOylation, както и SNC1 е SUMOylated на протеиново ниво [113], а SNC1 протеиновото ниво се контролира от убиквитин-медиирано разграждане, както е споменато в предишния раздел [116]. Важно е да се контролира активността на SNC1, за да се избегнат прекомерни имунни отговори, които биха били вредни за растежа на растенията и биха причинили увреждане [117].

Разрушаването на ензимната машина на PTM подчертава факта, че промените в прикрепването/отстраняването на PTM имат дълбок ефект върху физиологията на растенията, включително регулиране на защитата.

Интересното е, че повишеното SUMOylation в ots1ots2 мутанти или намалените SUMOylation siz1 мутанти имат повишени нива на SA, което показва сложността на PTM регулацията, и че SUMOylation регулацията е ключова за модулиране на правилното ниво на имунитет. Този строг контрол на SUMO допълнително се подчертава, тъй като свръхекспресията на трите гена SUMO (SUM) на Arabidopsis води до активиране на SA-зависими защитни реакции, както и нокдаун мутантът sum1sum2 [109].

В допълнение към SA сигнализирането, SUMO има роля в модулирането на JA сигнализирането. SUMO-конюгиран с JAZ инхибира JA рецептора CORONATINE INSENSITIVE1 (COI1) през COI1 SIM сайта [118]. Действието или разграждането на SUMO протеаза OTS1/2 определя дали отговорът на JA е активиран или инхибиран, в зависимост от вида на патогена [118]. Важно е, че SUMOylation взаимодейства с други PTMs, включително фосфорилиране и убиквитиниране, които ще бъдат описани в следващия раздел.

3.4. Взаимодействие между PTM

Повечето аспекти на имунитета се регулират от множество PTM, които често си взаимодействат. PTM претърпяват кръстосани смущения и имат взаимна зависимост. Един важен пример е FLS2 сигнализация, чиято регулация изисква фосфорилиране, SUMOилиране и убиквитиниране [48,86,119]. При неинфектирани условия FLS2 се свързва с BIK1 [21,120]. Когато се открие flg22, FLS2 набира корецепторна протеин киназа BAK1, която позволява на BIK1 и BAK1 да претърпят реципрочно фосфорилиране [55,121,122].

Освен това, при възприемане на флагелин, FLS2 се SUMOилира върху лизин1120, задействайки освобождаването на BIK1, което е от съществено значение за FLS2-медиирания защитен отговор. ДеСУМОилиращата изопептидаза 3А (Desi3A) деСУМОилира FLS2, за да регулира негативно имунната сигнализация в отсъствието на флагелин. И все пак, когато се открие флагелин, Desi3A се разгражда, за да повиши нивата на SUMOylated FLS2 и да увеличи имунната сигнализация (Фигура 1) [48]. Освен това беше установено, че моноубиквитинирането на BIK1 допринася за лиганд-индуцираната дисоциация на BIK1 от рецептор FLS2 [123]. Както бе споменато по-рано, PUB12/13 задейства разграждането на FLS2 чрез убиквитин-протеазомната система.

Посттранслационната модификация на PTM машинните ензими също се случва в отбраната; например КАЛЦИЕВО-ЗАВИСИМАТА ПРОТЕИН КИНАЗА 28 (CPK28) фосфорилазира и активира Ub E3 лигази PUB25 и 26, за да подобри убиквитинирането и протеазомното разграждане на неактивиран BIK1 (Фигура 1) [89,124]. Взаимодействията между Ub E3 лигазите и киназните домени изглеждат често срещани при регулирането на RLK [125].

БЕЗ ЕКСПРЕС ИЛИ НА СВЪРЗАНИ С ПАТОГЕНЕЗАТА ГЕНИ (NPR1) е ключов транскрипционен фактор в защитата, тъй като регулира експресията на PR гени, допринасящи за установяването на системна придобита резистентност (SAR) [126]. Отново, фосфорилирането, SUMOylation и ubiquitination са от съществено значение за тяхната функция за подходящи защитни реакции (Фигура 1). SUMOylation взаимодейства с фосфорилирането, за да контролира функциите на NPR1: фосфорилирането на Ser55 и Ser59 предотвратява прикрепването на NPR1 SUMO. Статусът на SUMOylation на NPR1 променя взаимодействието му с партньорите. Не-SUMOилиран NPR1 взаимодейства с WRKY70, за да потисне експресията на PR1. При предизвикване на патоген, натрупването на SA насърчава дефосфорилирането на Ser55/Ser59, позволявайки на NPR1 да стане SUMOилиран, провокирайки NPR1 да взаимодейства с TGA3, за да насърчи експресията на PR1 ген [127,128].

Освен това, взаимодействието на NPR1 със SUMO3 е необходимо за фосфорилиране на Ser11/Ser15, което причинява убиквитиниране и разграждане от комплекса NPR3–CULLIN3 E3 за специфична и преходна имунна индукция [129]. Разграждането на NPR1 е важно за пълния обхват на активиране на защитния ген и за активиране на ETI и програмирана клетъчна смърт на мястото на инфекцията, където нивата на SA са високи [126], докато в съседните клетки нивата на SA са междинни, за да позволят функцията на NPR1 [130] . SA-индуцираните PR гени кодират няколко антимикробни метаболита, включително ендоглюканази, хитинази, дефензини и др. [131]. Този цитиран пример показва, че местата на фосфорилиране имат противоположни функции и че специфични PTM модели дават резултати по отношение на защитния отговор. Последователният процес с множество PTM осигурява по-прецизен контрол, за да позволи медиирано от убиквитин разграждане в точното време, когато не се откриват патогени [132]. NPR1 има функционално запазена роля в културите; по този начин потенциално SUMO участва в регулирането на ортолози, подобни на Arabidopsis, но това се нуждае от разследване [126,133].

Съществува значителна кръстосана връзка между SUMOylation и ubiquitination, особено като част от отрицателната обратна връзка за предизвикване на разграждането на протеина; например, SIZ1 може да SUMOylate CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC 1 (COP1), което подобрява транс-убиквитинационната активност на COP1, мулти-субединица E3 лигаза, която положително регулира резистентността към болести срещу вируси [134,135]. След SUMOylation, COP1 убиквитинира SIZ1, причинявайки неговото разграждане; следователно, убиквитинирането регулира клетъчното SUMOylation чрез регулиране на SIZ1, както и SIZ1, насърчаващ активността на убиквитиниране на COP1 [136].

Няколко SUMO мишени се припокриват с мишени за фосфорилиране на MAPK при регулиране на имунитета [137]. Няколко WRKY бяха идентифицирани като мишени на SUMO1 чрез протеомика, както и MAPK фосфорилиране [104]. В подкрепа на това беше показано, че в отговор на инфекция с Botrytis cinerea и лечение с elisitor flg22, WRKY33 е SUMOилиран, което позволява фосфорилиране на WRKY33 от MPK3/6 за активиране на активността на транскрипционния фактор, което води до повишена биосинтеза на камалексин (Фигура 1) [138].

Ясно е, че PTM са жизненоважни за защитните реакции на растенията и устойчивостта на болести при Arabidopsis и след това откритие PTM са илюстрирани като също толкова важни при видовете култури и представляват отличен ресурс, който да се използва за подобряване на културите. Общите механизми на имунитета са сходни при Arabidopsis и видовете култури заедно с класовете протеини; въпреки това, точните механизми, взаимодействия, протеинови комплекси и PTM са специфични за вида и сорта [17]. Едно проучване установи, че 1619 фосфозита в Arabidopsis са точно подравнени с фосфозитите на всеки друг растителен вид, което показва някои прилики в протеиновото фосфорилиране в Arabidopsis и култури [139]. В няколко случая ортолозите на защитните протеини показват запазена роля сред различните растителни видове; например, PRRs, MAPK каскади, WRKY TFs, NPR1, убиквитин лигази и медиирано от убиквитиниране протеазомно разграждане модулират натрупването на защитен протеин [80,81,126,133,140–144].

При ориза разликите в резистентността към болести може да зависят от модела на PTM, както се предполага от констатацията, че броят и разпределението на мотивите за фосфорилиране се различават между резистентните и чувствителните алели на Pi54 [145,146]. Констатациите на PTM кръстосано смущаване в култури доказват, че PRR-медиираното сигнализиране в ориза зависи от специфични модели на фосфорилиране и убиквитин-медииран контрол. Остатъкът XA21 Thr705 е от съществено значение за автофосфорилирането на PRR XA21 на ориз. Thr705 също е от съществено значение за взаимодействието между XA21 и оризовия XA21 свързващ протеин 3 (XB3) убиквитин лигаза, която е необходима за пълна XA21-медиирана резистентност [147,148]. Това беше демонстрирано чрез използването на фосфоново-нулеви мутантни варианти, XA21T705A и XA21T705E, които не са в състояние да трансдуцират XA21-медиирания имунен отговор или да взаимодействат с XA21 свързващите протеини [147]. След възприемане на PAMP от XA21 (което разпознава сулфонирани пептиди, получени от Xanthomonas oryzae pv oryzae, [149]), XA21 специфично транс-фосфорилира XB3, за който е доказано, че авто-убиквитинира in vitro, което може да доведе до активиране на MAPK каскади [148,150] . Ролята на XB3 може да се запази между видовете в регулирането на клетъчната смърт [151].

В допълнение към фосфорилирането и убиквитинирането, ясно специфичната регулация на SUMOylation е от съществено значение за имунитета на културите, тъй като патогенните ефектори са патогенни чрез deSUMOylation [140]. Следващият раздел ще опише по-подробно как патогените отвличат PTM системите за тяхна полза, т.е., за да избегнат защитата на гостоприемника и да получат хранителни вещества за насърчаване на пролиферацията на патогена.

For more information:1950477468nn@gmail.com