Pochopení a využití posttranslačních úprav pro odolnost rostlin vůči chorobám, část 1

Abstraktní:

Rostliny jsou neustále ohrožovány patogeny, takže se vyvinuly složité obranné signální sítě, které mají překonat útoky patogenů. Posttranslační modifikace (PTM) jsou zásadní pro imunitu rostlin a umožňují rychlé a dynamické reakce ve vhodnou dobu. Regulace PTM je nezbytná; patogenní efektory často narušují PTM ve snaze vyhnout se imunitním reakcím.

Zde pokrýváme mechanismy rezistence chorob vůči patogenům a to, jak je růst v rovnováze s obranou, se zaměřením na základní role PTM. Změna PTM souvisejících s obranou má potenciál vyladit molekulární interakce za účelem produkce plodin odolných vůči chorobám, bez kompromisů v růstu a kondici.

Mechanismy odolnosti úzce souvisí s imunitou. Mechanismy rezistence zahrnují obranný systém těla proti bakteriím, virům a dalším cizorodým látkám, zejména kožní a slizniční bariéry, nespecifickou buněčnou obranu, zánětlivé reakce a specifickou imunitní obranu. Rezistence úzce souvisí s imunitou. Imunitu musíme zlepšit i v každodenním životě. Masová pasta obsahuje různé biologicky aktivní složky, jako jsou polysacharidy, houby a žluté lilie. Tyto složky mohou stimulovat imunitní systém různých typů buněk a zvyšovat jejich imunitní aktivitu.

Klikněte na doplněk cistanche deserticola

klíčová slova:

post-translační modifikace; imunita rostlin; fosforylace; ubikvitinace; SUMOylace; obrana.

1. Úvod

Růst a přežití rostlin jsou neustále ohrožovány biotickým stresem, včetně rostlinných patogenů skládajících se z virů, bakterií, hub a chromista. V souvislosti se zemědělstvím se celosvětově odhaduje, že ztráty na výnosu plodin způsobené patogeny u základních plodin jsou přibližně 20 procent [1]. Šíření škůdců a chorob do nových prostředí se zvyšuje: extrémnější jevy počasí spojené se změnou klimatu vytvářejí příznivé prostředí pro patogeny přenášené potravinami a vodou [2,3].

Významné odhady ztrát na plodinách způsobených patogeny zdůrazňují potřebu vyvíjet plodiny se znaky odolnosti vůči chorobám proti současným a nově se objevujícím patogenům. Metody ochrany plodin mají nízkou účinnost proti patogenům, což zahrnuje fungicidy a insekticidy, které kontrolují přenos virů hmyzem; navíc se zvyšuje odolnost vůči těmto chemikáliím [4,5]. Rezistence se týká neschopnosti patogenu dokončit svůj životní cyklus na daném rostlinném druhu [6]; zacílení rezistence hostitele na zlepšení je nejekonomičtější a nejúčinnější metodou kontroly snížení ztrát plodin způsobených chorobami [7–9].

Vývoj nových řešení tohoto rostoucího problému vyžaduje hlubší pochopení obranných mechanismů rostlin. Kromě genové exprese a transkriptomiky je proteomika zvláště užitečná, protože může přímo měřit relativní množství proteinů a také detekovat posttranslační modifikace (PTM) [10]. PTM mohou aktivovat, deaktivovat nebo změnit funkci proteinu, aby vyvolaly nebo zmírnily specifické reakce rostlin. Analýza na úrovni proteinu může odhalit cíle patogen-hostitel, obrat proteinů a interakce protein-protein v obranné signalizaci pro modifikaci a posílení imunity v plodinách [11]. Tento přehled nastiňuje funkce PTM v imunitě a potenciál manipulovat PTM za účelem zvýšení odolnosti vůči chorobám.

2. Rámec obrany rostlin

Vzhledem ke své přisedlé povaze se rostliny silně spoléhají na chemickou obranu proti biotickým a abiotickým stresům [11]. Rostliny jsou neustále vystaveny biotickým stresům: infekce patogeny poškozuje růst rostlin, reprodukci a přežití. Rostliny mají obranné systémy k překonání nebo snížení útoků patogenů, které zahrnují fyzické bariéry zabraňující vstupu patogenů a vrozený imunitní systém, který reaguje na útoky patogenů [12].

Inducibilní vrozený imunitní systém rostlin se skládá z PAMP-spouštěné imunity (PTI) a efektorem spouštěné imunity (ETI), které se významně překrývají (obr. 1) [13–16]. Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) se používá jako převládající modelový systém pro studium molekulárních událostí obranné signální dráhy, ale celkový systém je konzervován u jednoděložných a dvouděložných rostlin [17]. Konzervované molekulární struktury z mikrobů známé jako molekulární vzory asociované s patogeny (PAMP) jsou rozpoznávány receptory pro rozpoznávání vzorů na buněčném povrchu (PRR), které spouštějí následné imunitní reakce [13,18,19]. Dobře definované interakce PAMP-PRR jsou bakteriální flagelinový peptid flg22 a jeho příbuzný receptor FLAGELLING-SENSING 2 (FLS2) [20,21], bakteriální elongační faktor tepelně nestabilní (EFTu) a jeho receptor EF-Tu receptor (EFR) [22, 23] a polysacharid buněčné stěny houby chitin a jeho receptor CHITIN ELICITOR RECEPTOR KINASE 1 (CERK1) [24,25]. Tyto PRR jsou receptorové kinázy, které iniciují fosforylační kaskádu k aktivaci enzymů nebo genů souvisejících s obranou [26] (obrázek 1).

Patogen vylučuje několik efektorů, které narušují buněčnou funkci během infekce. Na rozdíl od PAMP jsou efektory rozmanité a zahrnují proteiny, sRNA, chemikálie, toxiny a hormony, které zvyšují patogenní infekci tím, že prospívají patogenu nebo potlačují obranu hostitele. Intracelulární receptory nazývané nukleotid-vazebná doména, proteiny obsahující repetice bohaté na leucin (NLR, také známé jako NB-LRR) detekují specifické efektory dodávané do rostlinné buňky, aby spustily efektorem spouštěnou imunitu (ETI). NLR mohou samy detekovat efektory nebo fungovat jako pomocníci při spouštění přenosu signálu [27]. Detekce pomocí NLR je buď přímo (model receptor-ligand), nebo ve většině případů nepřímo prostřednictvím mechanismu „stráže“ nebo „návnady“ [28,29]. Dvě hlavní skupiny NLR jsou Toll-interleukin-1 receptor-like nukleotid-binding site leucin-rich repeat (TNL) a coiled-coil (CC)-NBSLRR (CNL) [27,30].

Kromě toho rezistence k padlí 8 (RPW8)-NBS-LRR (RNL) fungují jako pomocné NLR [31,32]. Mezi proteiny po aktivaci NLR patří NERASOVÁ ODOLNOST K ONEMOCNĚNÍ 1 (NDR1) a ZVÝŠENÁ CITLIVOST K ONEMOCNĚNÍ 1 (EDS1) [33] (obrázek 1). Tyto cesty vedou k výsledkům zahrnujícím akumulaci kyseliny salicylové a aktivaci obranného genu [34,35].

Molekulární a fyziologické změny indukované downstream od PRR a NLR zahrnují aktivaci mitogenem aktivované proteinkinázy (MAPK), produkci reaktivních forem kyslíku (ROS), uzavření průduchů, expresi obranného genu, hypersenzitivní odpověď (HR) a buněčnou smrt, ukládání kalózy a lignifikaci , snížení fotosyntézy, zvýšené dýchání a exprese proteinů souvisejících s patogenezí (PR) a produkce antimikrobiálních sloučenin [10,11,36–38]. Vnímání patogenu spouští změny v hladinách hormonů včetně kyseliny salicylové (SA), která zprostředkovává obranu proti biotrofům a hemibiotrofům, a kyseliny jasmonové (JA)/ethylenu, která zprostředkovává obranu proti nekrotrofům [39].

Pochopení obranné reakce rostlin v modelovém organismu Arabidopsis nebo plodinách není úplné. Mnoho studií se spoléhalo na genomiku nebo transkriptomiku; transkripční změny však neodrážejí kompletní buněčné regulační procesy, protože posttranskripční procesy, které mění množství aktivního proteinu, syntéza, degradace, zpracování a modifikace proteinů, nejsou brány v úvahu.

K získání úplného obrazu o regulačních prvcích v interakcích rostlina-patogen je tedy zapotřebí komplementárních přístupů, jako je profilování exprese založené na proteomech [40]. Téměř v každé fázi obrany jsou důležité PTM, které umožňují rychlou aktivaci a signalizaci; PTM působí jako molekulární spínače, které rychle mění funkce proteinů [41,42]. Tento přehled se mimo jiné zabývá PTM při zlepšování plodin. Modifikace PTM může nabídnout jemnější přístup a vyvolat menší penalizaci výtěžku než vyřazení genu nebo zavedení genu.

3. Posttranslační úpravy hrají v obraně rozhodující roli

Posttranslační modifikace jsou kritické pro obranné reakce rostlin a jsou zapojeny do téměř všech aspektů růstu a vývoje rostlin. PTM umožňují rozšíření funkce proteinu nad strukturu jeho struktury určené primární sekvencí aminokyselin, aby se řídily téměř všechny charakteristiky funkce proteinu. PTM systémy jsou cíleny řadou patogenních efektorů; PTM se tedy vyplatí zkoumat z hlediska modifikace a využití v plodinách. Tato práce se zaměří na fosforylaci, ubikvitinaci a SUMOylaci, nejlépe prostudované PTM, které jsou reverzibilní (obrázek 2). Mezi další, které je třeba stručně zmínit, patří N-myristoylace, S-acylace, S-nitrosylace, acetylace, glykosylace, sulfonace a redoxní modifikace, které také hrají roli v imunitě [42,43], ale nejsou zahrnuty v tomto přehledu. Reverzibilita je zásadní pro regulaci intenzity a trvání proteinové aktivity a obranné reakce [44].

Obrázek 2. Posttranslační modifikační dráhy. Fosforylace je proces katalyzovaný proteinkinázami, při kterém je fosfátová skupina (PO4) přenesena z ATP na hydroxylové skupiny postranního řetězce na serinových, threoninových nebo tyrosinových zbytcích na cílovém proteinu. Fosfatázy hydrolyzují fosfodiesterovou vazbu k odstranění fosfátové skupiny. Ubikvitinace zahrnovala sekvenční působení enzymů aktivujících ubikvitin (E1), enzymů konjugujících ubikvitin (E2) a ubikvitin-protein ligáz (E3), aby se ubikvitin kovalentně navázal na cílový lysin.

Různé ubikvitinové připojovací vazby a délky řetězců mají různé funkce; například K48-vázaný tetraubiquitin se zaměřuje na protein pro 26S proteasomální degradaci. Deubikvitinační enzymy (DUB) katalyzují deubikvitinaci. SUMOylace je analogická ubikvitinaci a zahrnuje sekvenční působení enzymů SUMO E1, E2 a E3 ke kovalentnímu navázání SUMO na cílový lysin. SUMO je syntetizován jako neaktivní prekurzor, který má svůj C-koncový peptid štěpený proteázou SUMO exponující di-glycinový motiv. SUMO proteázy také katalyzují odstranění SUMO.

3.1. Fosforylace

Fosforylace je prvořadá v několika aspektech imunity pro řízení enzymové aktivity a pro signalizaci. Fosforylace je klíčová v PRR downstream reakcích prostřednictvím fosforylačních kaskád; fosforylace je rychlý a přechodný přechod (obrázek 2) a je nezbytný při transdukci imunitního signálu [42]. Vnímání ligandu v několika PRR stimuluje nábor koreceptorové BRI1-APSOCIOVANÉ RECEPTORKINÁZY (BAK1) (také známé jako SOMATIC EMBRYOGENESIS RECEPTOR KINASE 3 (SERK3)), která se heterodimerizuje s několika receptorovými kinázami (RLK) včetně FLS2 , BRASSINOSTEROID INSENSITIVE-1 (BRI1) a EFR [45]. BAK1 je odlišně fosforylován, když je v komplexu s různými komplexy PRR [46]. BOTRYTIDOU INDUCOVANÁ KINÁZA 1 (BIK1) je substrátem BAK1 a tento pár je součástí mnoha obranných signálních drah. Autofosforylace a transfosforylace jsou zásadní pro BIK1 i BAK1 v jejich interakci a interakci s dalšími downstream složkami při přenosu signálu [45]. Disociace BIK1 aktivuje downstream signalizaci, jako je aktivace MAPK kaskád, transkripční přeprogramování a produkce ROS [47,48]. BIK1 přímo fosforyluje respirační burst oxidázový homologní protein D (RbohD), NADPH oxidázu, která produkuje ROS burst k indukci stomatálního uzávěru a působí jako antimikrobiální molekuly [49,50].

BAK1 je klíčová kináza v rostlinné imunitě, která sama o sobě má četná fosforylační místa pro regulaci specifických výstupů, jak ukazují studie mutageneze. Některá fosforylační místa mají pozitivní účinky a některá mají negativní vliv na funkci BAK1 [51,52]. Mutace T455A (threonin-to-alanin) ruší aktivitu kinázy BAK1 a konzervovaný zbytek BAK1 Y403 je důležitý pro aktivaci imunitního receptorového komplexu indukovanou ligandem [53]. Fosforylační vzorce jsou specifické pro zprostředkování odpovědi umožňující BAK1 regulovat obranu a signalizaci brassinosteroidů.

Například bylo navrženo, že specifické BAK1 mutantní varianty BAK1C408Y a BAK1T450A vyvolávají na specifických receptorech různé vzorce fosforylace. Tento závěr byl vyvozen, protože mutantní fenotypy BAK1C408Y a BAK1T450A vykazují zhoršenou obrannou signalizaci, ale se signalizací brassinosteroidů (BR) zprostředkovanou divokým typem (WT) podobnou BAK1- [53,54]. Tyto fenotypy se liší od nulové alely BAK1; jasné mutace ve specifických zbytcích tedy mohou změnit fenotyp [46,55]. Je zajímavé, že mutace v C408 snížila fosforylaci Y403, což bylo ukázáno pomocí specifické protilátky pY403, což zdůrazňuje, že zbytky obklopující místo připojení PTM mohou ovlivnit stav PTM [56]. Tento přístup mutageneze k potenciálně mutovaným zbytkům obklopujícím PTM by mohl být výhodný pro stabilizaci/destabilizaci PTM bez blokování tvorby PTM, aby se za určitých okolností snížily nebo zvýšily interakce.

Je jasné, že fosforylace je ústředním prvkem obrany při přenosu signálu [57]; aktivace MAPK MPK3, MPK4 a MPK6 (MPK3/4/6) je charakteristickým znakem aktivace imunitního systému a je zásadní pro stanovení odolnosti vůči chorobám [58]. Všechny známé PRR aktivují dvě MAPK kaskády (obrázek 1) sestávající z MAPK kinázy (MKKK), MAPK kinázy (MKK) a MAPK: MAPKKK3/MAPKKK5-MKK4/MKK5-MPK3/MPK6, která pozitivně reguluje obrana a MEKK1 - MKK1/MKK2-MPK4, která negativně reguluje imunitní reakce [58–62]. Fosforylace downstream substrátů, jako jsou transkripční faktory WRKY, způsobuje transkripční změny [63]. Například WRKY33 je substrát MPK3/6, který aktivuje transkripci PHYTOALEXIN DEFICIENT 3 (PAD3) kódujícího enzym cytochromu P450 (CYP71B15), který provádí poslední krok biosyntézy kamalexinu, což způsobuje indukci kamalexinu, který má antimikrobiální účinky [63 ,64].

Aktivace MPK3/6 je navíc kritická pro zahrnutí inhibice fotosyntézy k podpoře akumulace ROS v chloroplastech a smrti HR buněk [65]. Kromě toho je MPK4 cílen efektorem HopAI1 bakteriálního typu III Pseudomonas syringae a působí jako strážce NLR SUPPRESSOR OF MKK1 MKK2 2 (SUMM2) [66]. Narušení kaskády kinázy MEKK1-MKK1/2-MPK4 má za následek konstitutivní imunitní odpovědi zprostředkované proteinem NLR SUMM2 [67].

Reverzibilita je prvořadá pro řízení fosforylačních stavů pro regulaci signální transdukce, konstitutivní aktivace obrany vede k poruchám růstu [68]. Fosforylace komplexů PRR včetně FLS2-BAK1-BIK1 je negativně regulována PROTEIN FOSFATAZA TYPU 2A (PP2A) a PROTEIN FOSFATAZA TYP 2C (PP2C) [42,69,70].

Podobně CERK1-INTERACTING PROTEIN PHOSPHATAASE 1 (CIPP1) defosforyluje CERK1 v nepřítomnosti chitinu, aby negativně reguloval CERK1 signalizaci [71]. Fosfatázy ARABIDOPSIS PHOSPHATASE 2Cs (AP2Cs) interagují s MPK3, 4 a 6 a negativně regulují vrozenou imunitu proti nekrotrofnímu houbovému patogenu Botrytis cinerea [72,73]. MAP KINÁZOVÁ FOSFATAZA1 (MKP1) a PROTEIN TYROSIN FOSFATAZA1 (PTP1) působí jako represory nevhodné MPK3/MPK6-závislé stresové signalizace [74,75]. Kromě toho může fosforylace vést k defosforylaci zpětné vazby; například MKP1 je fosforylován MPK6, jedním ze substrátů MKP1 [76].

3.2. Ubikvitinace

Ubikvitin (Ub) je kovalentně připojen ke specifickým lysinovým zbytkům cílových proteinů prostřednictvím enzymatické kaskády, která je reverzibilní (obrázek 2) [77]. Většina ubikvitylovaných proteinů, zejména těch, které jsou modifikovány polyubikvitinovými řetězci spojenými s lysinem48(K48), je zaměřena na degradaci proteazomem 26S [78,79]. Nicméně ubikvitinace má několik funkcí, včetně signalizace, endocytárního transportu atd., v závislosti na specifické vazebné vazbě [80,81]. Ubikvitinový systém je nezbytný pro vrozenou imunitu a její regulaci [82,83].

Například exprese varianty ubikvitinu se změnou K48R (lysin-na-arginin) zabraňuje připojení K48 (obrázek 2) a mění reakce na viry v tabáku [82]. K48 je jednou z nejhojnějších ubikvitinových vazeb, které způsobují ubikvitinem zprostředkovanou proteasomální degradaci, ačkoli mohou být zapojeny i jiné vazby [77,84]. Různé enzymy ubikvitinového mechanismu ovlivňují imunitu. Arabidopsis má dva Ub E1, UBIQUITIN AKTIVAČNÍ ENZYM 1 (UBA1) a UBA2, které jsou částečně nadbytečné. Nulová mutanta UBA1, mos1, je defektní ve vrozené imunitě, zatímco rostliny s nulovou mutantou uba2 nemají defekty v imunitě. Bylo prokázáno, že aktivace a downstream signalizace několika proteinů rezistence (R) vyžaduje Ub E1 UBA1 [83].

Mnoho E3 ubikvitin ligáz se účastní imunity rostlin prováděním ubikvitinace na cílové substráty [85]. Ubikvitinace je nezbytná pro regulaci hladin složek imunitního systému rostlin prostřednictvím obratu bílkovin, aby se zabránilo nadměrným nebo nepřiměřeným reakcím. To je ilustrováno mutantem rostlinného u-boxu 13 (pub13), který má zesílené imunitní reakce na napadení patogenem nebo vnímání flg22.

Mutant pub13 však vykazuje autoimunitní reakce, konkrétně způsobuje spontánní buněčnou smrt a akumulaci ROS v nepřítomnosti stresu, což ukazuje důležitost regulace PTM [86]. Dále se ukázalo, že FLS2 je specificky polyubikvitinován ubikvitinovými E3 ligázami PUB12/13, které cílí na FLS2 pro degradaci. Je zajímavé, že fosforylace pomocí BAK1 aktivuje PUB12/13 poté, co FLS2 naváže flagellin, což prokazuje zpětnovazební útlum odpovědí FLS2 a spoléhání se na více PTM v obranné regulaci [86]. Aktivita kinázy BAK1 je zásadní při zprostředkování její interakce s PUB13, protože mutant BAK1 kináza-inaktivní, který má substituci K317M, již nemohl interagovat s PUB13 [87]. PUB13 také ubikvitinuje LYSM-CONTAINING RECEPTOR-like KINASE 5 (LYK5), zacílí ji na degradaci k regulaci obrany spouštěné chitinem (obrázek 1) [88]. Ligáza Ub E3 PUB25/26 se zaměřuje na neaktivovanou imunitní kinázu BIK1 pro degradaci za účelem modulace hladin BIK1 (obrázek 1) [89]. PUB4 interaguje s CERK1 a je pozitivním regulátorem imunitních odpovědí indukovaných chitinem [90].

Nadměrná akumulace NLR často vede k autoimunitním reakcím. Aby se tomu zabránilo, jsou proteiny NLR SUPPRESSOR OF NPR1-1, CONSTITUTIVE 1 (SNC1) a RESISTANT TO P. SYRINGAE 2 (RPS2) cíleny na ubikvitinaci a degradaci pomocí SKP1- CULLIN{{6} }Komplex F-boxu (SCF) (Cheng et al., 2011). Naproti tomu ligázy Arabidopsis Ub E3 RPM1 INTERACTING PROTEIN 2 a 3 (RIN2 a RIN3) přispívají pozitivně k NLR REZISTENCE K P. SYRINGAE PV. MACULICOLA 1 (RPM1) a RPS2-závislá HR (Kawasaki et al., 2005).

Ubikvitinace je nezbytná pro aktivaci JA odpovědí proti nekrotrofům. Proteiny JASMONATE-ZIM-DOMAIN PROTEIN 1 (JAZ) fungují jako transkripční represory genů reagujících na JA [91]. Bioaktivní JA (konjugát jasmonát–isoleucin (JA–Ile)) podporuje fyzikální interakci mezi komplexem ubikvitin ligázy SCFCOI1 a proteiny JAZ, aby způsobila ubikvitinem zprostředkovanou proteasomální degradaci JAZ, a umožnila tak expresi genů závislých na JA [91–93].

Ačkoli Ub E3 do značné míry určují substrátovou specifitu [94–97], substrátovou specifitu mají také deubikvitinační enzymy (DUB) [80,98]. To je důležité v imunitě; bylo například zjištěno, že deubikvitinační enzymy Arabidopsis UBIQUITIN-SPECIFIC PROTEASE 12 a 13 (AtUBP12 a AtUBP13) negativně regulují imunitu rostlin [99]. UBP12 a UBP13 jsou však pozitivními regulátory odpovědí JA a mohou působit stabilizací MYC, což vede k tomu, že dráha JA potlačuje imunitu zprostředkovanou SA [100].

3.3. SUMOylace

Kromě ubikvitinu jsou polypeptidy podobné ubikvitinu kovalentně konjugovány se substráty v eukaryotech prostřednictvím substrátu lysinu (obrázek 2). Malý modifikátor podobný ubikvitinu (SUMO) je dalším důležitým PTM zapojeným do reakcí rostlin na biotický stres. Při útocích patogenů dochází ke globálním změnám SUMOylomu [101–104]. Například autoimunitní supresor rps4-rld1-4 (srfr1-4) ​​mutantů vykázal velké zvýšení bazálních SUMO1/2-konjugátů, stejně jako rostliny divokého typu vystavené Pseudomonas syringae pv. rajče (Pst)DC3000 ve srovnání s neošetřenými rostlinami WT.

Celkově bylo zjištěno, že mutant srfr{0}} a rostliny WT infikované PstDC3000 sdílejí 57,9 procent svých společných substrátů SUMO, které se skládají z rozsáhlých cílů. Autoimunitní rostliny srfr1-4 mají zvýšené hladiny SA a konstitutivní upregulaci genů PR1/PR2; je také pozorován zakrnělý růst [105]. Významné je, že ztráta EDS1 obnovuje SUMOylome v srfr1-4 na úroveň divokého typu (Col{12}}) a odstraňuje retardaci růstu a autoimunitu [106]. Proto jsou SUMOylace a deSUMOylace klíčové pro regulaci obrany.

Různé paralogy SUMO mají různé funkce a u různých druhů existují různé paralogy [107]. U Arabidopsis inhibuje SUMO1/2 obranné reakce zprostředkované SA v nepřítomnosti patogenu [108]. Naproti tomu SUMO3 podporuje obranné reakce rostlin downstream od SA [109]. SUMO také vytváří nekovalentní interakce s proteiny prostřednictvím SUMO interagujících motivů (SIM), které usnadňují interakce mezi proteiny konjugovanými SUMO a proteinovými partnery s místem (místy) SIM pro tvorbu proteinového komplexu [107,110].

Změna specifického vzoru PTM mění obranné reakce rostliny a schopnost odolávat chorobám. Například dvojitá mutanta proteázy SUMO OTS1ots2 PŘÍLIŠ TOLERANTNÍ NA SALT1 a -2 (OTS1/2) ots1ots2 akumuluje zvýšené hladiny SUMO konjugátů, vyšší hladiny SA a zvýšenou odolnost vůči PstDC3000 ve srovnání s rostlinami WT. Bylo zjištěno, že SUMO proteázy OTS1 a OTS2 omezují biosyntézu SA potlačením exprese ISOCHORISMATE SYNTHASE1 (ICS1) a jako mechanismus zpětné vazby SA podporuje degradaci OTS1 a OTS2 za účelem modulace SA signalizace [101]. Podobně mutanty SUMO proteázy brzy v krátkých dnech 4 (esd4) mají vysokou akumulaci SA [111]. Ty ukazují, že enzymatický aparát SUMO reguluje obranu zprostředkovanou SA, aby vhodně upravila odpověď [101,109].

Další aspekt mechanismu SUMO k ovlivnění obrany je znázorněn mutantem se ztrátou funkce sap a miz 1 (siz1) SUMO E3 ligázy Arabidopsis. Rostliny siz1 mají snížené SUMO konjugáty, zakrslost, autoimunitní fenotyp, charakterizovaný zvýšenou akumulací SA, zvýšenou expresí genů EDS1, PAD4 a PATHOGENESIS-RELATED(PR) a větší odolností vůči bakteriím PstDC3000 ve srovnání s rostlinami WT [112 ]. Autoimunitní fenotyp siz1 je závislý na TNL imunitním receptoru SNC1 [113,114]. TOPLESS-RELATED 1 (TPR1), protein interagující se SNC1-, fyzicky interaguje a je SUMOylován SIZ1 [115]. Mutace K282 a K721, kritická místa připojení SUMOylace TOPLESS-RELATED 1 (TPR1), naznačují, že SUMOylace TPR1 potlačuje imunitu prostřednictvím potlačení její transkripční korepresorové aktivity.

To vede k expresi negativních regulátorů imunity DEFENSE NO DEATH 1 (DND1) a DND2. Kromě toho je SNC1 SUMOylován, což možná dále působí na potlačení imunity v nepřítomnosti patogenů [113,115]. Transkripce SNC1 je řízena SUMOylací, stejně jako SNC1 je SUMOylován na úrovni proteinu [113] a úroveň proteinu SNC1 je řízena degradací zprostředkovanou ubikvitinem, jak bylo zmíněno v předchozí části [116]. Je důležité kontrolovat aktivitu SNC1, aby se zabránilo nadměrným imunitním reakcím, které by byly škodlivé pro růst rostlin a způsobily poškození [117].

Narušení enzymatického aparátu PTM podtrhuje skutečnost, že změny v připojení/odstranění PTM mají hluboký vliv na fyziologii rostlin, včetně regulace obranyschopnosti.

Je zajímavé, že zvýšená SUMOylace u mutantů ots1ots2 nebo snížená SUMOylace siz1 mutantů zvýšila hladiny SA, což ukazuje na složitost regulace PTM a že regulace SUMOylace je klíčem k modulaci správné úrovně imunity. Tato přísná kontrola SUMO je dále zdůrazněna, protože nadměrná exprese tří genů Arabidopsis SUMO (SUM) vedla k aktivaci obranných odpovědí závislých na SA, stejně jako knockdown mutant sum1sum2 [109].

Kromě SA signalizace má SUMO roli v modulaci JA signalizace. SUMO-konjugovaný s JAZ inhibuje JA receptor CORONATINE INSENSITIVE1 (COI1) přes COI1 SIM místo [118]. Působení nebo degradace SUMO proteázy OTS1/2 určuje, zda je odpověď JA aktivována nebo inhibována v závislosti na typu patogenu [118]. Je důležité, že SUMOylace interaguje s jinými PTM včetně fosforylace a ubikvitinace, které budou popsány v následující části.

3.4. Interakce mezi PTM

Většina aspektů imunity je regulována více PTM, které se často vzájemně ovlivňují. PTM procházejí přeslechy a jsou vzájemně závislé. Jedním z prominentních příkladů je signalizace FLS2, jejíž regulace vyžaduje fosforylaci, SUMOylaci a ubikvitinaci [48,86,119]. V neinfikovaných stavech se FLS2 spojuje s BIK1 [21,120]. Když je detekován flg22, FLS2 rekrutuje koreceptorovou proteinkinázu BAK1, která umožňuje BIK1 a BAK1 podstoupit reciproční fosforylaci [55,121,122].

Navíc při vnímání bičíku je FLS2 SUMOylován na lysin1120, což spouští uvolňování BIK1, což je zásadní pro FLS2-zprostředkovanou obrannou reakci. DeSUMOylující isopeptidáza 3A (Desi3A) deSUMOyluje FLS2, aby negativně reguloval imunitní signalizaci v nepřítomnosti flagelinu. Přesto, když je detekován flagellin, je Desi3A degradován, aby se zvýšily hladiny SUMOylovaného FLS2 a zvýšila se imunitní signalizace (obrázek 1) [48]. Navíc bylo zjištěno, že monoubikvitinace BIK1 přispívá k ligandem indukované disociaci BIK1 z receptoru FLS2 [123]. Jak již bylo zmíněno dříve, PUB12/13 spouští degradaci FLS2 prostřednictvím systému ubikvitin-proteazom.

Posttranslační modifikace na PTM strojních enzymech se také vyskytuje v obraně; například CALCIUM-DEPENDENT PROTEIN KINASE 28 (CPK28) fosforyluje a aktivuje Ub E3 ligázy PUB25 a 26 ke zvýšení ubikvitinace a proteasomální degradace neaktivovaného BIK1 (obrázek 1) [89,124]. Zdá se, že interakce mezi ligázami Ub E3 a kinázovými doménami jsou v regulaci RLK běžné [125].

ŽÁDNÉ GENY SOUVISEJÍCÍ S PATOGENEZOU (NPR1) jsou klíčovým transkripčním faktorem obrany, protože regulují expresi genů PR přispívajících ke vzniku systémové získané rezistence (SAR) [126]. Fosforylace, SUMOylace a ubikvitinace jsou opět zásadní pro jejich funkci pro vhodné obranné reakce (obrázek 1). SUMOylace interaguje s fosforylací za účelem kontroly funkcí NPR1: fosforylace Ser55 a Ser59 zabraňuje připojení NPR1 SUMO. Stav SUMOylace NPR1 mění jeho interakci s partnery. NeSUMOylovaný NPR1 interaguje s WRKY70 za účelem potlačení exprese PR1. Při stimulaci patogenem akumulace SA podporuje defosforylaci Ser55/Ser59, což umožňuje, aby se NPR1 stal SUMOylací, což provokuje NPR1 k interakci s TGA3 k podpoře exprese genu PR1 [127,128].

Kromě toho je pro fosforylaci Ser11/Ser15 vyžadována interakce NPR1 s SUMO3, která způsobuje ubikvitinaci a degradaci komplexem NPR3–CULLIN3 E3 pro specifickou a přechodnou imunitní indukci [129]. Degradace NPR1 je důležitá pro celý rozsah aktivace obranného genu a pro aktivaci ETI a programované buněčné smrti v místě infekce, kde jsou hladiny SA vysoké [126], zatímco v sousedních buňkách jsou hladiny SA střední, aby umožnily funkci NPR1 [130] . SA-indukované PR geny kódují několik antimikrobiálních metabolitů včetně endoglukanáz, chitináz, defensinů atd. [131]. Tento citovaný příklad ukazuje, že fosforylační místa mají protichůdné funkce a že specifické vzorce PTM poskytují výsledky z hlediska obranné reakce. Vícenásobný sekvenční proces PTM poskytuje přesnější kontrolu, která umožňuje degradaci zprostředkovanou ubikvitinem ve správný čas, když nejsou detekovány patogeny [132]. NPR1 má funkčně konzervovanou roli v plodinách; SUMO se tedy potenciálně podílí na regulaci ortologů podobných Arabidopsis, ale to vyžaduje výzkum [126,133].

Mezi SUMOylací a ubikvitinací existuje významný přeslech, zejména jako součást negativní zpětné vazby k vyvolání degradace proteinu; například SIZ1 může SUMOylovat CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC 1 (COP1), což zvyšuje trans-ubikvitinační aktivitu COP1, multipodjednotkové E3 ligázy, která pozitivně reguluje odolnost vůči virům [134,135]. Po SUMOylaci COP1 ubikvitinuje SIZ1 a způsobuje jeho degradaci; proto ubikvitinace reguluje buněčnou SUMOylaci regulací SIZ1, stejně jako SIZ1 podporující ubikvitinační aktivitu COP1 [136].

Několik cílů SUMO se překrývá s cíli fosforylace MAPK v regulaci imunity [137]. Několik WRKY bylo identifikováno jako cíle SUMO1 proteomikou a také fosforylací MAPK [104]. Aby to bylo podpořeno, bylo prokázáno, že v reakci na infekci Botrytis cinerea a léčbu elicitorem flg22 je WRKY33 SUMOylován, což umožňuje fosforylaci WRKY33 pomocí MPK3/6 pro aktivaci aktivity transkripčního faktoru vedoucí ke zvýšené biosyntéze kamalexinu (obrázek 1) [138].

Je jasné, že PTM jsou životně důležité pro obranné reakce rostlin a odolnost vůči chorobám u Arabidopsis, a po tomto zjištění jsou PTM znázorněny jako podobně důležité u druhů plodin a představují vynikající zdroj, který lze využít při zlepšování plodin. Obecné mechanismy imunity jsou podobné u Arabidopsis a druhů plodin spolu s třídami proteinů; přesné mechanismy, interakce, proteinové komplexy a PTM jsou však specifické pro daný druh a odrůdu [17]. Jedna studie zjistila, že 1619 fosfozitů v Arabidopsis přesně odpovídalo fosfozitům jakéhokoli jiného rostlinného druhu, což ukazuje na určité podobnosti ve fosforylaci proteinů u Arabidopsis a plodin [139]. V několika případech vykazují ortology obranného proteinu konzervovanou roli mezi různými rostlinnými druhy; například PRR, MAPK kaskády, WRKY TF, NPR1, ubikvitin ligázy a ubikvitinací zprostředkovaná proteazomální degradace modulují akumulaci obranného proteinu [80,81,126,133,140–144].

U rýže mohou rozdíly v odolnosti vůči chorobám záviset na vzoru PTM, jak bylo naznačeno zjištěním, že počet a distribuce fosforylačních motivů se liší mezi rezistentními a citlivými alelami Pi54 [145,146]. Zjištění PTM přeslechů v plodinách dokazují, že signalizace zprostředkovaná PRR v rýži závisí na specifických vzorcích fosforylace a kontrole zprostředkované ubikvitinem. Zbytek XA21 Thr705 je nezbytný pro autofosforylaci PRR XA21 rýže. Thr705 je také nezbytný pro interakci mezi XA21 a rýžovým XA21 vazebným proteinem 3 (XB3), ubikvitin ligázou, která je nezbytná pro plnou XA21-zprostředkovanou rezistenci [147,148]. To bylo prokázáno použitím fosfo-nulových mutantních variant, XA21T705A a XA21T705E, které nejsou obě schopny transdukovat XA21-zprostředkovanou imunitní odpověď nebo interagovat s XA21 vazebnými proteiny [147]. Po vnímání PAMP pomocí XA21 (který rozpoznává sulfonované peptidy odvozené od Xanthomonas oryzae pv oryzae, [149]), XA21 specificky transfosforyluje XB3, u kterého bylo prokázáno, že in vitro autoubikvitinuje, což může vést k aktivaci kaskád MAPK [148,150] . Role XB3 může být zachována mezi druhy při regulaci buněčné smrti [151].

Kromě fosforylace a ubikvitinace je v imunitě plodin zásadní jasně specifická regulace SUMOylace, protože patogenita efektorů patogenů je deSUMOylací [140]. V další části bude podrobněji popsáno, jak patogeny unášejí PTM systémy ve svůj prospěch, tj. aby se vyhnuly obraně hostitele a získaly živiny pro podporu proliferace patogenů.

For more information:1950477468nn@gmail.com