Augu slimību rezistences pēctranslācijas modifikāciju izpratne un izmantošana 1. daļa

Anotācija:

Augus pastāvīgi apdraud patogēni, tāpēc ir attīstījušies sarežģīti aizsardzības signalizācijas tīkli, lai pārvarētu patogēnu uzbrukumus. Pēctranslācijas modifikācijas (PTM) ir būtiskas augu imunitātei, kas nodrošina ātru un dinamisku reakciju atbilstošā laikā. PTM regulējums ir būtisks; patogēnu efektori bieži traucē PTM, mēģinot izvairīties no imūnās atbildes.

Šeit mēs aplūkojam slimību rezistences mehānismus pret patogēniem un to, kā augšana ir līdzsvarota ar aizsardzību, koncentrējoties uz PTM būtiskām lomām. Ar aizsardzību saistīto PTM mainīšana var precizēt molekulāro mijiedarbību, lai iegūtu pret slimībām izturīgas kultūras, neradot kompromisus augšanā un piemērotībā.

Pretestības mehānismi ir cieši saistīti ar imunitāti. Rezistences mehānismi ietver ķermeņa aizsardzības sistēmu pret baktērijām, vīrusiem un citām svešām vielām, galvenokārt ādas un gļotādu barjeras, nespecifisku šūnu aizsardzību, iekaisuma reakcijas un specifisku imūno aizsardzību. Izturība ir cieši saistīta ar imunitāti. Imunitāte ir jāuzlabo arī mūsu ikdienas dzīvē. Gaļas pasta satur dažādas bioloģiski aktīvas sastāvdaļas, piemēram, polisaharīdus, sēnes un dzeltenās lilijas. Šīs sastāvdaļas var stimulēt dažāda veida šūnu imūnsistēmu, palielinot to imūno aktivitāti.

Noklikšķiniet uz cistanche deserticola papildinājuma

Atslēgvārdi:

pēctulkošanas modifikācijas; augu imunitāte; fosforilēšana; ubikvitinācija; SUMOilācija; aizsardzība.

1. Ievads

Augu augšanu un izdzīvošanu pastāvīgi apdraud biotiskais stress, tostarp augu patogēni, kas sastāv no vīrusiem, baktērijām, sēnītēm un hromista. Tiek lēsts, ka lauksaimniecības kontekstā ražas zudumi patogēnu dēļ visā pasaulē ir aptuveni 20 procenti galvenajās kultūrās [1]. Pieaug kaitēkļu un slimību izplatība jaunā vidē: ar klimata pārmaiņām saistītie ekstrēmi laikapstākļi rada labvēlīgu vidi ar pārtiku un ūdeni pārnēsātiem patogēniem [2,3].

Nozīmīgās aplēses par ražas zudumiem no patogēniem liecina par nepieciešamību attīstīt kultūras ar slimību rezistences iezīmēm pret esošajiem un jauniem patogēniem. Kultūraugu aizsardzības metodēm ir zema efektivitāte pret patogēniem, tostarp fungicīdiem un insekticīdiem, kas kontrolē kukaiņu vīrusu pārnešanu; turklāt palielinās izturība pret šīm ķīmiskajām vielām [4,5]. Izturība attiecas uz patogēna nespēju pabeigt savu dzīves ciklu uz šīs augu sugas [6]; saimnieka rezistences noteikšana, lai uzlabotu, ir visekonomiskākā un efektīvākā metode, lai kontrolētu ražas zudumu samazināšanos slimību dēļ [7–9].

Lai izstrādātu jaunus risinājumus šai pieaugošajai problēmai, ir nepieciešama dziļāka izpratne par augu aizsardzības mehānismiem. Papildus gēnu ekspresijai un transkriptomikai proteomika ir īpaši noderīga, jo tā var tieši izmērīt relatīvo olbaltumvielu daudzumu, kā arī noteikt pēctranslācijas modifikācijas (PTM) [10]. PTM var aktivizēt, deaktivizēt vai mainīt proteīna funkciju, lai izraisītu vai vājinātu noteiktas augu reakcijas. Analīze proteīna līmenī var atklāt patogēna-saimnieka mērķus, olbaltumvielu apriti un proteīnu un olbaltumvielu mijiedarbību aizsardzības signalizācijā, lai modificētu un uzlabotu kultūru imunitāti [11]. Šajā pārskatā ir izklāstītas PTM funkcijas imunitātē un iespēja manipulēt ar PTM, lai uzlabotu izturību pret slimībām.

2. Augu aizsardzības ietvars

Tā kā augi ir sēdoši, tie lielā mērā ir atkarīgi no ķīmiskās aizsardzības pret biotisko un abiotisko stresu [11]. Augi pastāvīgi saskaras ar biotisko stresu: patogēnu infekcija kaitē augu augšanai, vairošanai un izdzīvošanai. Augiem ir aizsardzības sistēmas, lai pārvarētu vai samazinātu patogēnu uzbrukumus, tostarp fiziskus šķēršļus, lai novērstu patogēnu iekļūšanu, un iedzimtu imūnsistēmu, lai reaģētu uz patogēnu uzbrukumiem [12].

Inducējamā augu iedzimtā imūnsistēma sastāv no PAMP izraisītas imunitātes (PTI) un efektora izraisītas imunitātes (ETI), kas ievērojami pārklājas (1. attēls) [13–16]. Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) tiek izmantota kā dominējošā modeļa sistēma, lai pētītu aizsardzības signalizācijas ceļa molekulāros notikumus, bet kopējā sistēma ir saglabāta viendīgļiņās un divdīgļos [17]. Konservētas molekulārās struktūras no mikrobiem, kas pazīstamas kā ar patogēniem saistītie molekulārie modeļi (PAMP), atpazīst šūnu virsmas modeļa atpazīšanas receptori (PRR), izraisot pakārtotās imūnās atbildes [13, 18, 19]. Precīzi definētas PAMP-PRR mijiedarbības ir baktēriju flagellīna peptīda flg22 un tā radniecīgo receptoru FLAGELLING-SENSING 2 (FLS2) [20,21], baktēriju pagarinājuma faktoru termiski nestabilais (EFTu) un tā receptoru EF-Tu receptoru (EFR) [22, 23], un sēnīšu šūnu sienas polisaharīda hitīns un tā receptors CHITIN ELICITOR RECEPTOR KINASE 1 (CERK1) [24,25]. Šīs PRR ir receptoriem līdzīgas kināzes, kas ierosina fosforilācijas kaskādi, lai aktivizētu ar aizsardzību saistītus enzīmus vai gēnus [26] (1. attēls).

Patogēns izdala vairākus efektorus, lai infekcijas laikā traucētu šūnu darbību. Atšķirībā no PAMP efektori ir dažādi un ietver olbaltumvielas, sRNS, ķīmiskas vielas, toksīnus un hormonus, kas palielina patogēnu infekciju, gūstot labumu patogēnam vai nomācot saimniekorganisma aizsardzību. Intracelulārie receptori, ko sauc par nukleotīdu saistošo domēnu, ar leicīnu bagāti atkārtoti saturoši proteīni (NLR, pazīstami arī kā NB-LRR), nosaka specifiskus efektorus, kas tiek piegādāti augu šūnā, lai izraisītu efektora izraisītu imunitāti (ETI). NLR paši var noteikt efektorus vai darboties kā palīgierīces signāla pārraides iedarbināšanai [27]. Atklāšana ar NLR notiek vai nu tieši (receptoru-ligandu modelis), vai vairumā gadījumu netieši, izmantojot “apsardzes” vai “mānekļu” mehānismus [28, 29]. Divas galvenās NLR grupas ir Toll-interleikīna{10}} receptoriem līdzīgās nukleotīdu saistošās vietas ar leicīnu bagāts atkārtojums (TNL) un coiled-coil (CC)-NBSLRR (CNL) [27,30].

Turklāt izturība pret miltrasu 8 (RPW8)-NBS-LRR (RNL) darbojas kā palīgs NLR [31,32]. Olbaltumvielas, kas atrodas lejpus NLR aktivācijas, ietver NESPECIFISKA IZTURĪBAS SLIMĪBU 1 (NDR1) un PASTIPRINĀTA SLIMĪBAS UZŅĒMĪBA 1 (EDS1) [33] (1. attēls). Šie ceļi noved pie rezultātiem, tostarp salicilskābes uzkrāšanās un aizsardzības gēnu aktivācijas [34, 35].

Molekulārās un fizioloģiskās izmaiņas, ko izraisa PRR un NLR lejup pa straumi, ietver mitogēnu aktivētās proteīnkināzes (MAPK) aktivāciju, reaktīvo skābekļa sugu (ROS) veidošanos, stomatītu slēgšanu, aizsardzības gēnu ekspresiju, paaugstinātas jutības reakciju (HR) un šūnu nāvi, kalozes nogulsnēšanos un lignifikāciju. , fotosintēzes samazināšanās, palielināta elpošana un ar PATOĢĒZI SAISTĪTO (PR) proteīnu ekspresija, kā arī pretmikrobu savienojumu ražošana [10,11,36–38]. Patogēna uztvere izraisa izmaiņas hormonu līmeņos, tostarp salicilskābei (SA), kas nodrošina aizsardzību pret biotrofiem un pusbiotrofiem, un jasmonskābi (JA)/etilēnu, kas ir starpnieks pret nekrotrofiem [39].

Izpratne par augu aizsardzības reakciju paraugorganismā Arabidopsis vai kultūraugiem nav pilnīga. Daudzi pētījumi ir balstīti uz genomu vai transkriptomiku; tomēr transkripcijas izmaiņas neatspoguļo pilnīgus šūnu regulēšanas procesus, jo netiek ņemti vērā pēctranskripcijas procesi, kas maina aktīvā proteīna daudzumu, sintēzi, degradāciju, apstrādi un proteīnu modifikācijas.

Tādējādi, lai iegūtu pilnīgu priekšstatu par regulējošajiem elementiem augu un patogēnu mijiedarbībā, ir nepieciešamas papildu pieejas, piemēram, uz proteomu balstīta ekspresijas profilēšana [40]. Gandrīz katrā aizsardzības posmā PTM ir svarīgi, kas ļauj ātri aktivizēties un signalizēt; PTM darbojas kā molekulāri slēdži, lai ātri mainītu olbaltumvielu funkcijas [41, 42]. Šajā pārskatā cita starpā aplūkoti PTM ražas uzlabošanā. PTM modifikācija var piedāvāt niansētāku pieeju un izraisīt mazāku ražas sodu nekā gēnu izslēgšana vai gēnu ievadīšana.

3. Pēctranslācijas modifikācijām ir izšķiroša nozīme aizsardzībā

Pēctranslācijas modifikācijas ir būtiskas augu aizsardzības reakcijām, un tās ir iesaistītas gandrīz visos augu augšanas un attīstības aspektos. PTM ļauj paplašināt proteīna funkciju virs tās struktūras, ko nosaka primārā aminoskābju secība, lai kontrolētu gandrīz visas proteīna funkcijas īpašības. PTM sistēmas ir vērstas pret daudziem patogēnu efektoriem; tādējādi PTM ir vērts izpētīt attiecībā uz modifikācijām un izmantošanu kultūraugos. Šajā darbā galvenā uzmanība tiks pievērsta fosforilācijai, ubikvitinācijai un SUMOilācijai, kas ir visvairāk izpētītie PTM, kas ir atgriezeniski (2. attēls). Citi, kas īsi jāpiemin, ir N-miristoilēšana, S-acilēšana, S-nitrozilēšana, acetilēšana, glikozilēšana, sulfonēšana un redoksmodifikācija, kurām ir arī nozīme imunitātē [42, 43], taču tās nav aplūkotas šajā pārskatā. Atgriezeniskums ir ļoti svarīgs, lai regulētu proteīna aktivitātes un aizsardzības reakcijas intensitāti un ilgumu [44].

2. attēls. Pēctranslācijas modifikācijas ceļi. Fosforilēšana ir proteīnu kināžu katalizēts process, kurā fosfātu grupa (PO4) tiek pārnesta no ATP uz sānu ķēdes hidroksilgrupām uz serīna, treonīna vai tirozīna atlikumiem uz mērķa proteīna. Fosfatāzes hidrolizē fosfodiestera saiti, lai noņemtu fosfātu grupu. Ubikvitinācija ietvēra ubikvitīnu aktivējošo enzīmu (E1), ubikvitīnu konjugējošo enzīmu (E2) un ubikvitīna-proteīna ligāžu (E3) secīgu darbību, lai kovalenti piesaistītu ubikvitīnu mērķa lizīnam.

Dažādiem ubikvitīna piestiprināšanas savienojumiem un ķēdes garumiem ir dažādas funkcijas; piemēram, K48-saistītais tetraubikvitīns ir vērsts uz proteīnu 26S proteasomu degradācijai. Deubikvitinācijas enzīmi (DUB) katalizē deubikvitināciju. SUMOilācija ir analoga ubikvitinācijai un ietver secīgu SUMO E1, E2 un E3 enzīmu darbību, lai kovalenti pievienotu SUMO mērķa lizīnam. SUMO tiek sintezēts kā neaktīvs prekursors, kura C-gala peptīdu šķeļ SUMO proteāze, pakļaujot diglicīna motīvu. SUMO proteāzes arī katalizē SUMO noņemšanu.

3.1. Fosforilēšana

Fosforilācija ir ļoti svarīga vairākos imunitātes aspektos, lai kontrolētu enzīmu aktivitāti un signalizāciju. Fosforilācijai ir izšķiroša nozīme PRR pakārtotajās reakcijās, izmantojot fosforilācijas kaskādes; fosforilēšana ir ātrs un pārejošs pārslēgšanās (2. attēls), un tā ir būtiska imūnsignāla pārraidei [42]. Ligandu uztvere vairākos PRR stimulē koreceptoru BRI1-SAISTĪTĀS RECEPTORKINĀZES (BAK1) (pazīstama arī kā SOMATISKĀ EMBRIOGĒNĒZES RECEPTORKINĀZE 3 (SERK3)) piesaisti, kas heterodimerizējas ar vairākām receptoriem līdzīgām kināzēm (RLK). , BRASSINOSTEROĪDU NESENSITIVE-1 (BRI1) un EFR [45]. BAK1 tiek diferencēti fosforilēts, ja tas ir kompleksā ar dažādiem PRR kompleksiem [46]. BOTRYTIS INDUCED KINASE 1 (BIK1) ir BAK1 substrāts un pāra iezīme daudzos aizsardzības signalizācijas ceļos. Autofosforilācija un transfosforilēšana ir būtiska gan BIK1, gan BAK1 mijiedarbībā un mijiedarbībā ar citiem signāla pārraides pakārtotajiem komponentiem [45]. BIK1 disociācija aktivizē pakārtoto signalizāciju, piemēram, MAPK kaskāžu aktivizēšanu, transkripcijas pārprogrammēšanu un ROS ražošanu [47, 48]. BIK1 tieši fosforilē elpceļu sprādziena oksidāzes homologa proteīnu D (RbohD), NADPH oksidāzi, kas rada ROS uzliesmojumu, lai izraisītu stomatālu slēgšanu un darbotos kā pretmikrobu molekulas [49, 50].

BAK1 ir galvenā augu imunitātes kināze, kurai pašai ir daudzas fosforilēšanās vietas, lai regulētu specifiskus rezultātus, kā liecina mutaģenēzes pētījumi. Dažām fosforilācijas vietām ir pozitīva ietekme, bet dažām ir negatīva ietekme uz BAK1 funkciju [51,52]. T455A (treonīna-alanīna) mutācija atceļ BAK1 kināzes aktivitāti, un konservētais BAK1 atlikums Y403 ir svarīgs ligandu izraisītai imūnreceptoru kompleksa aktivācijai [53]. Fosforilācijas modeļi ir specifiski, lai veicinātu reakciju, ļaujot BAK1 regulēt aizsardzību un brassinosteroīdu signālus.

Piemēram, tika ierosināts, ka specifiski BAK1 mutantu varianti BAK1C408Y un BAK1T450A provocē atšķirīgus fosforilācijas modeļus specifiskos receptoros. Šāds secinājums tika izdarīts, jo mutantu fenotipiem BAK1C408Y un BAK1T450A ir traucēta aizsardzības signalizācija, bet ar savvaļas tipa (WT) līdzīgu BAK{10}}mediētu brasinosteroīdu (BR) signalizāciju [53,54]. Šie fenotipi atšķiras no BAK1 nulles alēles; tādējādi skaidras mutācijas specifiskos atlikumos var mainīt fenotipu [46,55]. Interesanti, ka mutācija C408 samazināja Y403 fosforilāciju, kas parādīta, izmantojot specifisku pY403 antivielu, kas uzsver, ka atlikumi ap PTM piesaistes vietu var ietekmēt PTM statusu [56]. Šī mutaģenēzes pieeja potenciāli mutētiem atlikumiem ap PTM varētu būt izdevīga, lai stabilizētu/destabilizētu PTM, nebloķējot PTM veidošanos, lai dažos apstākļos samazinātu vai uzlabotu mijiedarbību.

Ir skaidrs, ka fosforilācija ir galvenais aizsardzības elements signālu pārraidē [57]; MAPK MPK3, MPK4 un MPK6 (MPK3/4/6) aktivizēšana ir imūnsistēmas aktivizācijas pazīme, un tā ir izšķiroša, lai izveidotu slimību rezistenci [58]. Visi zināmie PRR aktivizē divas MAPK kaskādes (1. attēls), kas sastāv no MAPK kināzes (MKKK), MAPK kināzes (MKK) un MAPK: MAPKKK3/MAPKKK5-MKK4/MKK5-MPK3/MPK6, kas pozitīvi regulē. aizsardzība un MEKK1 - MKK1/MKK2-MPK4, kas negatīvi regulē imūnās atbildes [58–62]. Pakārtoto substrātu, piemēram, WRKY transkripcijas faktoru, fosforilēšana izraisa transkripcijas izmaiņas [63]. Piemēram, WRKY33 ir MPK3/6 substrāts, kas aktivizē PHYTOALEXIN DEFICIENT 3 (PAD3) transkripciju, kas kodē citohroma P450 enzīmu (CYP71B15), kas veic pēdējo kamaleksīna biosintēzes posmu, izraisot anti6-3 krobu iedarbību. ,64].

Turklāt MPK3/6 aktivācija ir būtiska, lai iekļautu fotosintēzes kavēšanu, lai veicinātu ROS uzkrāšanos hloroplastos un HR šūnu nāvi [65]. Turklāt uz MPK4 ir vērsts Pseudomonas syringae baktēriju III tipa efektors HopAI1, un tas darbojas kā MKK1 MKK2 2 (SUMM2) NLR SUPRESORA sargātājs [66]. MEKK1-MKK1/2-MPK4 kināzes kaskādes pārtraukšana izraisa konstitutīvas imūnās atbildes, ko mediē NLR proteīns SUMM2 [67].

Atgriezeniskums ir vissvarīgākais, lai kontrolētu fosforilācijas stāvokļus, lai regulētu signāla pārraidi, konstitutīva aizsardzības aktivizēšana izraisa augšanas defektus [68]. PRR kompleksu, tostarp FLS2-BAK1-BIK1, fosforilāciju negatīvi regulē 2.A TIPA PROTEĪNA FOSFATĀZES (PP2A) un 2. TIPA PROTEĪNFOSFATĀZES (PP2C) [42, 69, 70].

Līdzīgi CERK1-INTERACTING PROTEIN PHOSPHATASE 1 (CIPP1) defosforilē CERK1, ja nav hitīna, lai negatīvi regulētu CERK1 signālu pārraidi [71]. Fosfatāzes ARABIDOPSIS PHOSPHATASE 2Cs (AP2Cs) mijiedarbojas ar MPK3, 4 un 6, lai negatīvi regulētu iedzimto imunitāti pret nekrotrofo sēnīšu patogēnu Botrytis cinerea [72,73]. MAP KINASE PHOSPHATASE1 (MKP1) un PROTEIN TYROSINE PHOSPHATASE1 (PTP1) darbojas kā nepiemērotas MPK3/MPK{18}}atkarīgas stresa signālu nomācēji [74,75]. Turklāt fosforilēšana var izraisīt atgriezeniskās saites defosforilāciju; piemēram, MKP1 fosforilē MPK6, viens no MKP1 substrātiem [76].

3.2. Ubikvitinācija

Ubikvitīns (Ub) ir kovalenti piesaistīts specifiskiem mērķa proteīnu lizīna atlikumiem, izmantojot enzīmu kaskādi, kas ir atgriezenisks (2. attēls) [77]. Lielākā daļa visuresošo proteīnu, īpaši tie, kas modificēti ar lizīnu48 (K48) saistītām poliubikvitīna ķēdēm, ir vērsti uz 26S proteasomu noārdīšanos [78, 79]. Tomēr ubikvitinācijai ir vairākas funkcijas, tostarp signalizācija, endocītu tirdzniecība utt., kas ir atkarīgas no īpašās piesaistes saites [80, 81]. Ubikvitīna sistēma ir nepieciešama iedzimtai imunitātei un tās regulēšanai [82,83].

Piemēram, ubikvitīna varianta ekspresija ar K48R (lizīna-arginīna) izmaiņām novērš K48 piesaisti (2. attēls) un maina atbildes reakciju uz vīrusiem tabakā [82]. K48 ir viens no visizplatītākajiem ubikvitīna savienojumiem, kas izraisa ubikvitīna mediētu proteasomu degradāciju, lai gan var būt iesaistītas arī citas saites [77, 84]. Dažādi ubikvitīna mehānismu fermenti ietekmē imunitāti. Arabidopsis ir divi Ub E1, UBIQUITIN ACTIVATING ENZYME 1 (UBA1) un UBA2, kas ir daļēji lieki. UBA1 nulles mutantam mos1 ir iedzimtas imunitātes defekti, savukārt uba2 nulles mutanta augiem nav imunitātes defektu. Tika parādīts, ka vairāku rezistences (R) proteīnu aktivizēšanai un pakārtotai signalizācijai ir nepieciešams Ub E1 UBA1 [83].

Daudzas E3 ubikvitīna ligāzes ir iesaistītas augu imunitātē, veicot ubikvitināciju mērķa substrātiem [85]. Ubikvitinācija ir būtiska, lai regulētu augu imūnsistēmas komponentu līmeni, izmantojot olbaltumvielu apriti, lai izvairītos no pārmērīgas vai neatbilstošas ​​reakcijas. To ilustrē augu u-box 13 (pub13) mutants, kuram ir pastiprināta imūnā reakcija uz patogēnu uzbrukumu vai flg22 uztveri.

Tomēr pub13 mutants demonstrē autoimūnas reakcijas, proti, izraisot spontānu šūnu nāvi un ROS uzkrāšanos bez stresa, kas parāda PTM regulēšanas nozīmi [86]. Turklāt tika parādīts, ka FLS2 ir īpaši poliubikvitinēts ar ubikvitīna E3 ligāzēm PUB12/13, kuru mērķis ir FLS2 noārdīšanās. Interesanti, ka BAK1 fosforilēšana aktivizē PUB12/13 pēc tam, kad FLS2 saistās ar flagellīnu, parādot FLS2 reakciju atgriezenisko saiti un paļaušanos uz vairākiem PTM aizsardzības regulējumā [86]. BAK1 kināzes aktivitāte ir būtiska, lai veicinātu tās mijiedarbību ar PUB13, jo BAK1 kināzes neaktīvais mutants, kuram ir K317M aizstāšana, vairs nevarēja mijiedarboties ar PUB13 [87]. PUB13 arī ubikvitinē LYSM SATUROŠO RECEPTORIEM LĪDZĪGU KINĀZI 5 (LYK5), vēršot to uz degradāciju, lai regulētu hitīna izraisītās aizsargspējas (1. attēls) [88]. Ub E3 ligāze PUB25/26 ir vērsta uz neaktivētu imūnkināzi BIK1, lai tā noārdās, lai modulētu BIK1 līmeni (1. attēls) [89]. PUB4 mijiedarbojas ar CERK1 un ir pozitīvs hitīna izraisītu imūnreakciju regulators [90].

Pārmērīga NLR uzkrāšanās bieži izraisa autoimūnas reakcijas. Lai to novērstu, NLR proteīnu SUPRESOR OF NPR1-1, CONSTITUTIVE 1 (SNC1) un RESISTENT TO P. SYRINGAE 2 (RPS2) mērķis ir SKP1- CULLIN{{6} veikt ubikvitināciju un degradāciju. }F-box (SCF) komplekss (Cheng et al., 2011). Turpretim Arabidopsis Ub E3 ligāzes RPM1 INTERACTING PROTEIN 2 un 3 (RIN2 un RIN3) pozitīvi ietekmē NLR IZTURĪBU PRET P. SYRINGAE PV. MACULICOLA 1 (RPM1) un RPS{18}}atkarīgs HR (Kawasaki et al., 2005).

Ubikvitinācija ir būtiska, lai ļautu aktivizēt JA reakcijas pret nekrotrofiem. JASMONATE-ZIM-DOMAIN PROTEIN 1 (JAZ) proteīni darbojas kā JA reaģējošo gēnu transkripcijas represori [91]. Bioaktīvais JA (jasmonāta-izoleicīna (JA-Ile) konjugāts) veicina fizisko mijiedarbību starp ubikvitīna ligāzes kompleksu SCFCOI1 un JAZ proteīniem, lai izraisītu ubikvitīna mediētu JAZ proteasomu noārdīšanos, lai nodrošinātu no JA atkarīgo gēnu ekspresiju [91–93].

Lai gan Ub E3 lielā mērā nosaka substrāta specifiku [94–97], deubikvitinēšanas enzīmiem (DUB) ir arī substrāta specifika [80, 98]. Tas ir svarīgi imunitātē; piemēram, tika konstatēts, ka deubikvitinējošie enzīmi Arabidopsis UBIQUITIN-SPECIFIC PROTEASE 12 un 13 (AtUBP12 un AtUBP13) negatīvi regulē augu imunitāti [99]. Tomēr UBP12 un UBP13 ir pozitīvi JA reakciju regulatori un var darboties, stabilizējot MYC, kā rezultātā JA ceļš nomāc SA mediētu imunitāti [100].

3.3. SUMOilācija

Papildus ubikvitīnam ubikvitīnam līdzīgie polipeptīdi ir kovalenti konjugēti ar substrātiem eikariotos, izmantojot substrāta lizīnu (2. attēls). Neliels ubikvitīnam līdzīgs modifikators (SUMO) ir vēl viens svarīgs PTM, kas iesaistīts augu biotiskā stresa reakcijās. Globālās SUMOylome izmaiņas notiek patogēnu uzbrukumos [101–104]. Piemēram, rps4-rld1-4 (srfr1-4) ​​mutantu autoimūnais nomācējs uzrādīja lielu bazālo SUMO1/2-konjugātu pieaugumu, tāpat kā savvaļas tipa augi. inficēts ar Pseudomonas syringae pv. tomātu (Pst)DC3000, salīdzinot ar WT neapstrādātiem augiem.

Kopumā tika konstatēts, ka srfr1-4 mutants un ar PstDC3000 inficētie WT augi koplieto 57,9 procentus to kopējo SUMO substrātu, kas sastāv no plaša diapazona mērķiem. Autoimūnajiem srfr1-4 augiem ir paaugstināts SA līmenis un konstitutīvs PR1/PR2 gēnu regulējums; tiek novērota arī izaugsmes panīkšana [105]. Zīmīgi, ka EDS1 zudums atjauno SUMOylome srfr1-4 līdz savvaļas tipa (Col-0) līmenim un novērš augšanas aizkavēšanos un autoimunitāti [106]. Tāpēc SUMOilācija un deSUMOilācija ir ļoti svarīgas aizsardzības regulēšanai.

Dažādiem SUMO paralogiem ir dažādas funkcijas, un dažādās sugās pastāv dažādi paralogi [107]. Arabidopsis gadījumā SUMO1/2 inhibē SA mediētas aizsardzības reakcijas, ja nav patogēna [108]. Turpretim SUMO3 veicina augu aizsardzības reakcijas lejpus SA [109]. SUMO veido arī nekovalentu mijiedarbību ar olbaltumvielām, izmantojot SUMO mijiedarbojošos motīvus (SIM), kas atvieglo mijiedarbību starp SUMO konjugētiem proteīniem un proteīna partneriem, kuriem ir SIM vieta(-as) proteīnu kompleksa veidošanai [107, 110].

PTM specifiskā modeļa maiņa maina auga aizsardzības reakcijas un spēju pretoties slimībām. Piemēram, PĀRĀK TOLERANTS PRET SĀLS1 un -2 (OTS1/2) SUMO proteāzes dubultmutants ots1ots2 uzkrāj paaugstinātu SUMO konjugātu līmeni, augstāku SA līmeni un pastiprinātu rezistenci pret PstDC3000, salīdzinot ar WT augiem. Tika konstatēts, ka SUMO proteāzes OTS1 un OTS2 ierobežo SA biosintēzi, nomācot ISOCHORISMATE SYNTHASE1 (ICS1) ekspresiju, un kā atgriezeniskās saites mehānisms SA veicina OTS1 un OTS2 degradāciju, lai modulētu SA signalizāciju [101]. Līdzīgi SUMO proteāzes mutantiem īsās 4. dienas sākumā (esd4) ir augsta SA uzkrāšanās [111]. Tie parāda, ka SUMO fermentatīvā iekārta regulē SA mediētu aizsardzību, lai atbilstoši pielāgotu reakciju [101, 109].

Vēl viens SUMO mehānismu aspekts, kas ietekmē aizsardzību, ir sap un miz 1 (siz1) SUMO E3 ligāzes Arabidopsis funkciju zuduma mutants. siz1 augiem ir samazinājies SUMO konjugāti, punduris, autoimūns fenotips, kam raksturīga pastiprināta SA uzkrāšanās, palielināta EDS1, PAD4 un PATHOGENESIS RELATED(PR) gēnu ekspresija un lielāka rezistence pret baktērijām PstDC3000, salīdzinot ar WT augiem [112 ]. Siz1 autoimūnais fenotips ir atkarīgs no TNL imūnreceptora SNC1 [113, 114]. TOPLESS-RELATED 1 (TPR1), SNC{18}}mijiedarbojošs proteīns, fiziski mijiedarbojas ar SIZ1 un tiek SUMOilēts ar SIZ1 [115]. K282 un K721, TOPLESS-RELATED 1 (TPR1) kritisko SUMOilācijas piesaistes vietu, mutācija liecināja, ka TPR1 SUMOylation nomāc imunitāti, apspiežot tās transkripcijas līdzrepresora aktivitāti.

Tas noved pie imunitātes DEFENSE NO DEATH 1 (DND1) un DND2 negatīvo regulatoru izpausmes. Turklāt SNC1 ir SUMOilēts, kas, iespējams, vēl vairāk nomāc imunitāti, ja nav patogēnu [113, 115]. SNC1 transkripciju kontrolē SUMOilācija, kā arī SNC1 tiek SUMOilēts proteīna līmenī [113], un SNC1 proteīna līmeni kontrolē ubikvitīna izraisīta degradācija, kā minēts iepriekšējā sadaļā [116]. Ir svarīgi kontrolēt SNC1 aktivitāti, lai izvairītos no pārmērīgas imūnās atbildes reakcijas, kas varētu kaitēt augu augšanai un izraisīt bojājumus [117].

PTM fermentatīvās iekārtas pārtraukšana uzsver faktu, ka izmaiņas PTM pievienošanā/noņemšanā būtiski ietekmē augu fizioloģiju, tostarp aizsardzības regulēšanu.

Interesanti, ka palielināta SUMOilācija ots1ots2 mutantos vai samazināta SUMOylation siz1 mutanti ir palielinājusi SA līmeni, kas norāda uz PTM regulēšanas sarežģītību un ka SUMOilācijas regulēšana ir galvenais, lai modulētu pareizo imunitātes līmeni. Šī stingrā SUMO kontrole tiek uzsvērta vēl vairāk, jo trīs Arabidopsis SUMO (SUM) gēnu pārmērīga ekspresija izraisīja no SA atkarīgu aizsardzības reakciju aktivizēšanu, tāpat kā sum1sum2 knockdown mutants [109].

Papildus SA signalizācijai SUMO ir loma JA signalizācijas modulēšanā. SUMO konjugēts ar JAZ inhibē JA receptoru CORONATINE INSENSITIVE1 (COI1) caur COI1 SIM vietu [118]. SUMO proteāzes OTS1/2 darbība vai degradācija nosaka, vai JA reakcija ir aktivizēta vai inhibēta atkarībā no patogēna veida [118]. Zīmīgi, ka SUMOylation mijiedarbojas ar citiem PTM, tostarp fosforilāciju un ubikvitināciju, kas tiks aprakstīta nākamajā sadaļā.

3.4. Mijiedarbība starp PTM

Lielāko daļu imunitātes aspektu regulē vairāki PTM, kas bieži mijiedarbojas. PTM notiek šķērsruna, un tiem ir savstarpēja atkarība. Viens spilgts piemērs ir FLS2 signalizācija, kuras regulēšanai nepieciešama fosforilācija, SUMOilācija un ubikvitinācija [48, 86, 119]. Neinficētos apstākļos FLS2 asociējas ar BIK1 [21 120]. Kad tiek atklāts flg22, FLS2 piesaista koreceptoru proteīna kināzi BAK1, kas ļauj BIK1 un BAK1 iziet savstarpēju fosforilēšanos [55,121,122].

Turklāt, uztverot flagellīnu, FLS2 tiek SUMOilēts uz lizīna1120, izraisot BIK1 izdalīšanos, kas ir būtiska FLS2-mediētajai aizsardzības reakcijai. DeSUMOilējošā izopeptidāze 3A (Desi3A) deSUMOilē FLS2, lai negatīvi regulētu imūno signālu pārraidi, ja nav flagellīna. Tomēr, kad tiek atklāts flagellīns, Desi3A tiek degradēts, lai palielinātu SUMOilētā FLS2 līmeni un palielinātu imūno signalizāciju (1. attēls) [48]. Turklāt tika konstatēts, ka BIK1 monoubikvitinācija veicina ligandu izraisītu BIK1 disociāciju no receptora FLS2 [123]. Kā minēts iepriekš, PUB12/13 izraisa FLS2 degradāciju, izmantojot ubikvitīna-proteasomu sistēmu.

Pēctranslācijas modifikācijas PTM iekārtu enzīmos notiek arī aizsardzībā; piemēram, NO KALCIJA ATKARĪGĀ PROTEĪNA KINĀZE 28 (CPK28) fosforilāzē un aktivizē Ub E3 ligāzes PUB25 un 26, lai veicinātu neaktivētā BIK1 ubikvitināciju un proteasomu degradāciju (1. attēls) [89,124]. Mijiedarbība starp Ub E3 ligāzēm un kināzes domēniem, šķiet, ir izplatīta RLK regulēšanā [125].

AR PATOĢĒZI SAISTĪTO GĒŅU (NPR1) NEKĀDS EKSPRESS VAI AR PATOĢĒZI SAISTĪTO GĒNU (NPR1) nav galvenais transkripcijas faktors aizsardzībā, jo tas regulē PR gēnu ekspresiju, kas veicina sistēmiskas iegūtās rezistences (SAR) izveidi [126]. Atkal, fosforilēšana, SUMOilācija un ubikvitinācija ir būtiska to funkcijai atbilstošām aizsardzības reakcijām (1. attēls). SUMOilācija mijiedarbojas ar fosforilāciju, lai kontrolētu NPR1 funkcijas: Ser55 un Ser59 fosforilēšana novērš NPR1 SUMO piesaisti. NPR1 SUMOilācijas statuss maina tā mijiedarbību ar partneriem. Nesumoilēts NPR1 mijiedarbojas ar WRKY70, lai apspiestu PR1 izpausmi. Patogēna iedarbības gadījumā SA uzkrāšanās veicina Ser55/Ser59 defosforilāciju, ļaujot NPR1 kļūt SUMOilētam, provocējot NPR1 mijiedarboties ar TGA3, lai veicinātu PR1 gēna ekspresiju [127,128].

Turklāt NPR1 mijiedarbība ar SUMO3 ir nepieciešama Ser11/Ser15 fosforilēšanai, kas izraisa ubikvitināciju un NPR3 – CULLIN3 E3 kompleksa degradāciju specifiskai un pārejošai imūnās indukcijai [129]. NPR1 degradācija ir svarīga pilnam aizsardzības gēna aktivācijas diapazonam un ETI aktivizēšanai un ieprogrammētas šūnu nāves aktivizēšanai infekcijas vietā, kur SA līmenis ir augsts [126], turpretim blakus šūnās SA līmenis ir vidējs, lai nodrošinātu NPR1 funkciju [130]. . SA inducētie PR gēni kodē vairākus pretmikrobu metabolītus, tostarp endoglikanāzes, hitināzes, defensīnus utt. [131]. Šis minētais piemērs parāda, ka fosforilācijas vietām ir pretējas funkcijas un ka konkrēti PTM modeļi dod rezultātus aizsardzības reakcijas ziņā. Vairāku PTM secīgais process nodrošina precīzāku kontroli, lai nodrošinātu ubikvitīna izraisītu degradāciju īstajā laikā, kad patogēni netiek atklāti [132]. NPR1 ir funkcionāli saglabāta loma kultūrās; tādējādi, iespējams, SUMO ir iesaistīts Arabidopsis līdzīgu ortologu regulēšanā, taču tas ir jāizmeklē [126,133].

Pastāv ievērojama šķērsruna starp SUMOilāciju un ubikvitināciju, īpaši kā daļa no negatīvas atgriezeniskās saites, lai izraisītu proteīna degradāciju; piemēram, SIZ1 var SUMOilēt CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC 1 (COP1), kas uzlabo COP1 trans-ubikvitinācijas aktivitāti, vairāku apakšvienību E3 ligāzi, kas pozitīvi regulē slimību rezistenci pret vīrusiem [134,135]. Pēc SUMOilācijas COP1 ubikvitinē SIZ1, izraisot tā degradāciju; tāpēc ubikvitinācija regulē šūnu SUMOilāciju, regulējot SIZ1, kā arī SIZ1, veicinot COP1 ubikvitinācijas aktivitāti [136].

Vairāki SUMO mērķi imunitātes regulēšanā pārklājas ar MAPK fosforilācijas mērķiem [137]. Vairākus WRKY kā SUMO1 mērķus identificēja proteomika, kā arī MAPK fosforilēšana [104]. Lai to pamatotu, tika parādīts, ka, reaģējot uz Botrytis cinerea infekciju un ārstēšanu ar flg22 ierosinātāju, WRKY33 ir SUMOilēts, kas ļauj WRKY33 fosforilēties ar MPK3/6, lai aktivizētu transkripcijas faktora aktivitāti, kā rezultātā palielinās kamaleksīna biosintēze (138. attēls) [138] 1.

Ir skaidrs, ka PTM ir ļoti svarīgi Arabidopsis augu aizsardzības reakcijai un slimību rezistencei, un pēc šī konstatējuma PTM tiek ilustrēti kā līdzīgi svarīgi kultūraugu sugās un ir lielisks resurss, ko izmantot ražas uzlabošanā. Vispārējie imunitātes mehānismi ir līdzīgi Arabidopsis un kultūraugu sugām, kā arī olbaltumvielu klasēm; tomēr precīzi mehānismi, mijiedarbība, proteīnu kompleksi un PTM ir specifiski sugai un šķirnei [17]. Vienā pētījumā tika atklāts, ka 1619 fosfosīti Arabidopsis ir precīzi saskaņoti ar jebkuras citas augu sugas fosfosītiem, norādot uz dažām līdzībām olbaltumvielu fosforilācijā Arabidopsis un kultūraugiem [139]. Vairākos gadījumos aizsardzības proteīna ortologi uzrāda saglabātu lomu dažādu augu sugu vidū; piemēram, PRR, MAPK kaskādes, WRKY TF, NPR1, ubikvitīna ligāzes un ubikvitinācijas izraisīta proteasomu degradācija modulē aizsardzības proteīnu uzkrāšanos [80, 81, 126, 133, 140–144].

Rīsos atšķirības slimību rezistencē var būt atkarīgas no PTM modeļa, kā liecina konstatējums, ka fosforilācijas motīvu skaits un sadalījums atšķiras starp rezistentajām un jutīgajām Pi54 alēlēm [145, 146]. PTM šķērsruna atklājumi kultūrās pierāda, ka PRR-mediētā signalizācija rīsos ir atkarīga no specifiskiem fosforilācijas modeļiem un ubikvitīna mediētas kontroles. XA21 Thr705 atlikums ir būtisks rīsu PRR XA21 autofosforilēšanai. Thr705 ir būtisks arī mijiedarbībai starp XA21 un rīsu XA21 saistošo proteīnu 3 (XB3), ubikvitīna ligāzi, kas nepieciešama pilnīgai XA21-mediētai rezistencei [147,148]. Tas tika pierādīts, izmantojot fosfo-null mutantu variantus XA21T705A un XA21T705E, kas abi nespēj pārveidot XA21-mediētu imūnreakciju vai mijiedarboties ar XA21 saistošajiem proteīniem [147]. Pēc PAMP uztveres ar XA21 (kas atpazīst Xanthomonas oryzae pv oryzae atvasinātus sulfonētus peptīdus, [149]), XA21 īpaši trans-fosforilē XB3, kas, kā pierādīts, auto-ubikvitinējas in vitro, kas var izraisīt MAPK kaskāžu aktivāciju [148],150. . XB3 lomu starp sugām var saglabāt šūnu nāves regulēšanā [151].

Papildus fosforilēšanai un ubikvitinācijai skaidri specifiska SUMOilācijas regulēšana ir būtiska kultūraugu imunitātei, jo patogēns ietekmē patogenitāti ar deSUMOilāciju [140]. Nākamajā sadaļā sīkāk tiks aprakstīts, kā patogēni nolaupa PTM sistēmas, lai gūtu labumu, ti, lai izvairītos no saimnieka aizsardzības un iegūtu barības vielas, lai veicinātu patogēnu proliferāciju.

For more information:1950477468nn@gmail.com