Forstå og utnytte post-translasjonsmodifikasjoner for plantesykdomsresistens Del1

Abstrakt:

Planter er konstant truet av patogener, så det har utviklet komplekse forsvarssignalnettverk for å overvinne patogenangrep. Post-translasjonelle modifikasjoner (PTM) er grunnleggende for planteimmunitet, og tillater raske og dynamiske responser til riktig tid. PTM-regulering er viktig; patogeneffektorer forstyrrer ofte PTM-er i et forsøk på å unngå immunresponser.

Her dekker vi mekanismene for sykdomsresistens mot patogener, og hvordan vekst balanseres med forsvar, med fokus på de essensielle rollene til PTM. Endring av forsvarsrelaterte PTM-er har potensial til å finjustere molekylære interaksjoner for å produsere sykdomsresistente avlinger, uten avveininger i vekst og kondisjon.

Motstandsmekanismer er nært knyttet til immunitet. Motstandsmekanismer inkluderer kroppens forsvarssystem mot bakterier, virus og andre fremmede stoffer, hovedsakelig inkludert hud- og slimhinnebarrierer, uspesifikke celleforsvar, inflammatoriske responser og spesifikke immunforsvar. Motstand er nært knyttet til immunitet. Vi må også forbedre immuniteten i vårt daglige liv. Kjøttpasta inneholder en rekke biologisk aktive ingredienser, som polysakkarider, sopp og gule liljer. Disse ingrediensene kan stimulere immunsystemet til ulike typer celler, og øke deres immunaktivitet.

Klikk cistanche deserticola supplement

Nøkkelord:

post-translasjonelle modifikasjoner; planteimmunitet; fosforylering; ubiquitinering; SUMOylering; forsvar.

1. Introduksjon

Plantevekst og overlevelse er konstant truet av biotisk stress, inkludert plantepatogener som består av virus, bakterier, sopp og chromista. I landbrukssammenheng anslås tap av avlinger på grunn av patogener å være rundt 20 prosent på verdensbasis i stiftvekster [1]. Spredningen av skadedyr og sykdommer til nye miljøer øker: mer ekstreme værhendelser knyttet til klimaendringer skaper gunstige miljøer for mat- og vannbårne patogener [2,3].

De betydelige estimatene av avlingstap fra patogener fremhever behovet for å utvikle avlinger med sykdomsresistensegenskaper mot nåværende og nye patogener. Avlingsbeskyttelsesmetoder har lav effektivitet mot patogener, som inkluderer soppdrepende midler og insektmidler som kontrollerer virusoverføringer fra insekter; dessuten øker motstanden mot disse kjemikaliene [4,5]. Resistens refererer til manglende evne til et patogen til å fullføre livssyklusen på den plantearten [6]; målretting av vertsresistens for forbedring er den mest økonomiske og effektive metoden for å kontrollere reduksjonen i avlingstap til sykdom [7–9].

Å utvikle nye løsninger på dette økende problemet krever en dypere forståelse av planteforsvarsmekanismer. Utover genuttrykk og transkriptomikk, er proteomikk spesielt nyttig siden den direkte kan måle relativ proteinoverflod, samt oppdage post-translasjonelle modifikasjoner (PTMs) [10]. PTM-er kan aktivere, deaktivere eller endre proteinfunksjon for å indusere eller dempe spesifikke planteresponser. Analyse på proteinnivå kan avsløre patogen-vert-mål, proteinomsetning og protein-protein-interaksjoner i forsvarssignalering for å modifisere og øke immuniteten i avlinger [11]. Denne gjennomgangen skisserer funksjonene til PTM-er i immunitet og potensialet til å manipulere PTM-er for å øke sykdomsresistens.

2. Rammeverket for planteforsvar

På grunn av sin fastsittende natur, er planter sterkt avhengige av kjemiske forsvar mot biotiske og abiotiske påkjenninger [11]. Planter blir stadig utfordret av biotiske påkjenninger: patogeninfeksjon skader plantevekst, reproduksjon og overlevelse. Planter har forsvarssystemer for å overvinne eller redusere patogenangrep, som inkluderer fysiske barrierer for å forhindre patogeninntrengning og et medfødt immunsystem for å reagere på patogenangrep [12].

Det induserbare plantens medfødte immunsystemet består av PAMP-utløst immunitet (PTI) og effektor-utløst immunitet (ETI) som overlapper betydelig (Figur 1) [13–16]. Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) brukes som det dominerende modellsystemet for å studere de molekylære hendelsene i forsvarssignalveien, men det overordnede systemet er bevart i monocots og dikotyler [17]. Bevarte molekylære strukturer fra mikrober kjent som patogenassosierte molekylære mønstre (PAMPs) gjenkjennes av celleoverflatemønstergjenkjenningsreseptorer (PRR), som utløser nedstrøms immunresponser [13,18,19]. Veldefinerte PAMP-PRR-interaksjoner er bakteriell flagellinpeptid flg22 og dens beslektede reseptor FLAGELLING-SENSING 2 (FLS2) [20,21], bakteriell forlengelsesfaktor termisk ustabil (EFTu) og dens reseptor EF-Tu-reseptor (EFR) [22, 23], og soppcellevegg polysakkarid kitin og dets reseptor CHITIN ELICITOR RECEPTOR KINASE 1 (CERK1) [24,25]. Disse PRR-ene er reseptorlignende kinaser som initierer en fosforyleringskaskade for å aktivere forsvarsrelaterte enzymer eller gener [26] (Figur 1).

Flere effektorer skilles ut av patogenet for å forstyrre cellulær funksjon gjennom infeksjon. I motsetning til PAMP-er, er effektorer forskjellige og inkluderer proteiner, sRNA-er, kjemikalier, toksiner og hormoner som øker patogeninfeksjon ved å gagne patogenet eller undertrykke vertsforsvaret. Intracellulære reseptorer kalt nukleotidbindende domene, leucinrike repeterende-holdige proteiner (NLR, også kjent som NB-LRR) oppdager spesifikke effektorer levert inn i plantecellen for å utløse effektor-utløst immunitet (ETI). NLR-er kan selv oppdage effektorer eller fungere som hjelpere for å utløse signaltransduksjon [27]. Deteksjon av NLR-er er enten direkte (reseptor-ligand-modell) eller, i de fleste tilfeller, indirekte gjennom "vakt"- eller "lokkedue"-mekanismer [28,29]. De to hovedgruppene av NLR-er er Toll-interleukin-1 reseptorlignende nukleotidbindingssted leucinrik repetisjon (TNL) og coiled-coil (CC)-NBSLRR (CNL) [27,30].

Videre fungerer motstand mot pulveraktig mugg 8 (RPW8)-NBS-LRRs (RNLs) som hjelpe-NLRer [31,32]. Proteiner nedstrøms for NLR-aktivering inkluderer IKKE-RASESPESIFIK SYKDOMSRESISTANS 1 (NDR1) og ENHANCED SYKDOMSMESSIGHET 1 (EDS1) [33] (Figur 1). Disse veiene fører til utfall inkludert akkumulering av salisylsyre og forsvarsgenaktivering [34,35].

Molekylære og fysiologiske endringer indusert nedstrøms for PRR og NLR inkluderer aktivering av mitogenaktivert proteinkinase (MAPK), produksjon av reaktive oksygenarter (ROS), stomata-lukking, forsvarsgenekspresjon, hypersensitiv respons (HR) og celledød, kalloseavsetning og lignifisering , reduksjon av fotosyntese, økt respirasjon og ekspresjon av PATOGENESERELATERTE (PR) proteiner og produksjon av antimikrobielle forbindelser [10,11,36–38]. Patogen persepsjon utløser endringer i hormonnivåer inkludert salisylsyre (SA) som medierer forsvar mot biotrofer og hemi-biotrofer og jasmonsyre (JA)/etylen som medierer forsvar mot nekrotrofer [39].

Forståelsen av planteforsvarsresponsen i modellorganismen Arabidopsis eller avlinger er ikke fullstendig. Mange studier har basert seg på genomisk eller transkriptomikk; transkripsjonelle endringer reflekterer imidlertid ikke de fullstendige cellulære reguleringsprosessene, siden posttranskripsjonelle prosesser som endrer mengden aktivt protein, syntese, nedbrytning, prosessering og modifikasjon av proteiner ikke tas i betraktning.

Dermed er komplementære tilnærminger som proteombasert ekspresjonsprofilering nødvendig for å få et fullstendig bilde av de regulatoriske elementene i plante-patogen-interaksjoner [40]. På nesten alle stadier av forsvaret er PTM-er viktige, og tillater rask aktivering og signalering; PTM-er fungerer som molekylære brytere for å endre proteinfunksjoner raskt [41,42]. Denne gjennomgangen tar blant annet hensyn til PTM-er i avlingsforbedring. PTM-modifisering kan tilby en mer nyansert tilnærming og provosere mindre avkastningsstraff enn genknockout eller genintroduksjon.

3. Post-translasjonelle modifikasjoner har en kritisk rolle i forsvar

Post-translasjonelle modifikasjoner er avgjørende for planteforsvarsresponser og er involvert i nesten alle aspekter av plantevekst og -utvikling. PTM-er gjør at proteinfunksjonen kan utvides over strukturen som bestemmes av den primære aminosyresekvensen for å kontrollere nesten alle egenskaper ved proteinfunksjon. PTM-systemer er målrettet av en rekke patogeneffektorer; derfor er PTM-er verdt å undersøke når det gjelder modifikasjon og utnyttelse i avlinger. Dette arbeidet vil fokusere på fosforylering, ubiquitinering og SUMOylering, de mest godt studerte PTM-ene, som er reversible (figur 2). Andre å kort nevne er N-myristoylering, S-acylering, S-nitrosylering, acetylering, glykosylering, sulfonering og redoksmodifikasjon, som også har roller i immunitet [42,43], men dekkes ikke i denne anmeldelsen. Reversibilitet er avgjørende for å regulere intensiteten og varigheten av proteinaktivitet og forsvarsrespons [44].

Figur 2. Post-translasjonelle modifikasjonsveier. Fosforylering er prosessen katalysert av proteinkinaser der en fosfatgruppe (PO4) overføres fra ATP til sidekjedehydroksylgruppene på serin-, treonin- eller tyrosinrester på et målprotein. Fosfataser hydrolyserer fosfodiesterbindingen for å fjerne fosfatgruppen. Ubiquitinering involverte den sekvensielle virkningen av ubiquitin-aktiverende enzymer (E1), ubiquitin-konjugerende enzymer (E2) og ubiquitin-proteinligaser (E3) for å kovalent feste ubiquitin til mållysinet.

Ulike ubiquitin-festekoblinger og kjedelengder har forskjellige funksjoner; for eksempel er K48-koblet tetraubiquitin målrettet mot proteinet for 26S proteasomal nedbrytning. Deubiquitinerende enzymer (DUBs) katalyserer deubiquitinering. SUMOylering er analog med ubiquitinering og involverer sekvensiell handling av SUMO E1-, E2- og E3-enzymer for å kovalent feste SUMO til mållysinet. SUMO er syntetisert som en inaktiv forløper som har sitt C-terminale peptid spaltet av en SUMO-protease som eksponerer di-glycin-motivet. SUMO-proteaser katalyserer også fjerning av SUMO.

3.1. Fosforylering

Fosforylering er avgjørende i flere aspekter av immunitet for å kontrollere enzymaktivitet og signalering. Fosforylering er avgjørende i PRR nedstrøms responser gjennom fosforyleringskaskader; fosforylering er en rask og forbigående veksling (Figur 2) og er essensiell i immunsignaltransduksjon [42]. Ligandpersepsjon i flere PRR stimulerer rekrutteringen av koreseptor BRI1-ASSOSIERT RESEPTORKINASE (BAK1) (også kjent som SOMATIC EMBRYOGENESIS RECEPTOR KINASE 3 (SERK3)), som heterodimeriserer med flere reseptorlignende kinaser (RLK) inkludert FLS2. , BRASSINOSTEROID INSENSITIVE-1 (BRI1) og EFR [45]. BAK1 er differensielt fosforylert når det er i kompleks med forskjellige PRR-komplekser [46]. BOTRYTIS-INDUSERT KINASE 1 (BIK1) er et substrat for BAK1 og parfunksjonen i mange forsvarssignalveier. Autofosforylering og transfosforylering er avgjørende for både BIK1 og BAK1 i deres interaksjon og interaksjon med andre nedstrømskomponenter i signaloverføring [45]. BIK1-dissosiasjon aktiverer nedstrøms signalering, slik som aktivering av MAPK-kaskader, transkripsjonell omprogrammering og ROS-produksjon [47,48]. BIK1 fosforylerer direkte respiratory burst oxidase homologue protein D (RbohD), en NADPH oksidase som produserer ROS burst for å indusere stomatal lukking og fungere som antimikrobielle molekyler [49,50].

BAK1 er en nøkkelkinase i planteimmunitet som selv har en rekke fosforyleringssteder for å regulere spesifikke utganger, som vist ved mutagenesestudier. Noen fosforyleringssteder har positive effekter, og noen har negative effekter på BAK1-funksjonen [51,52]. T455A (treonin-til-alanin)-mutasjonen opphever BAK1-kinaseaktivitet, og den konserverte BAK1-resten Y403 er viktig for ligand-indusert aktivering av immunreseptorkomplekset [53]. Fosforyleringsmønstre er spesifikke for å formidle responsen som lar BAK1 regulere forsvar og brassinosteroidsignalering.

For eksempel ble det foreslått at spesifikke BAK1-mutantvarianter BAK1C408Y og BAK1T450A provoserer differensielle fosforyleringsmønstre på spesifikke reseptorer. Denne konklusjonen ble trukket ettersom mutantfenotypene BAK1C408Y og BAK1T450A viser svekket forsvarssignalering, men med villtype (WT)-lignende BAK1-mediert brassinosteroid (BR)-signalering [53,54]. Disse fenotypene er forskjellige fra BAK1 null-allelen; dermed kan klare mutasjoner i spesifikke rester endre fenotype [46,55]. Interessant nok reduserte mutasjonen i C408 fosforylering av Y403, vist ved bruk av et spesifikt pY403-antistoff, som fremhever at rester rundt PTM-festestedet kan påvirke PTM-status [56]. Denne mutagenese-tilnærmingen til potensielt muterte rester rundt PTM kan være fordelaktig for å stabilisere/destabilisere PTM-er uten å blokkere PTM-dannelsen, for å gjøre interaksjoner redusert eller forbedret under noen omstendigheter.

Det er klart at fosforylering er sentralt for forsvar i signaltransduksjon [57]; Aktiveringen av MAPK-ene MPK3, MPK4 og MPK6 (MPK3/4/6) er et kjennetegn på immunsystemaktivering og er avgjørende for å etablere sykdomsresistens [58]. Alle kjente PRR-er aktiverer to MAPK-kaskader (figur 1) bestående av MAPK-kinase (MKKK), MAPK-kinase (MKK) og MAPK-er: MAPKKK3/MAPKKK5-MKK4/MKK5-MPK3/MPK6 som regulerer positivt forsvar, og MEKK1 - MKK1/MKK2-MPK4 som negativt regulerer immunresponser [58–62]. Fosforylering av nedstrøms substrater som WRKY transkripsjonsfaktorer forårsaker transkripsjonsendringer [63]. For eksempel er WRKY33 et substrat av MPK3/6 som aktiverer transkripsjon av PHYTOALEXIN DEFICIENT 3 (PAD3) som koder for et cytokrom P450-enzym (CYP71B15) som utfører det siste trinnet i camalexin-biosyntesen, og forårsaker induksjon av [633bi]. ,64].

I tillegg er MPK3/6-aktivering avgjørende for å inkludere hemming av fotosyntese for å fremme ROS-akkumulering i kloroplaster og HR-celledød [65]. Dessuten er MPK4 målrettet av Pseudomonas syringae bakteriell type III effektor HopAI1 og fungerer som vaktmannen for NLR SUPPRESSOR OF MKK1 MKK2 2 (SUMM2) [66]. Forstyrrelse av MEKK1-MKK1/2-MPK4-kinasekaskaden resulterer i konstitutive immunresponser mediert av NLR-proteinet SUMM2 [67].

Reversibilitet er avgjørende for å kontrollere fosforyleringstilstander for å regulere signaltransduksjon, konstitutiv aktivering av forsvar fører til vekstdefekter [68]. Fosforylering av PRR-komplekser inkludert FLS2-BAK1-BIK1 er negativt regulert av PROTEIN FOSFATASE TYPE 2A (PP2A) og PROTEIN FOSFATASE TYPE 2C (PP2C) [42,69,70].

Tilsvarende defosforylerer CERK1-INTERAKTIVERING AV PROTEIN PHOSPHATASE 1 (CIPP1) CERK1, i fravær av kitin, for å negativt regulere CERK1-signalering [71]. Fosfataser ARABIDOPSIS PHOSPHATASE 2Cs (AP2Cs) interagerer med MPK3, 4 og 6 for å negativt regulere medfødt immunitet mot det nekrotrofiske sopppatogenet Botrytis cinerea [72,73]. KARTKINASE PHOSPHATASE1 (MKP1) og PROTEIN TYROSINE PHOSPHATASE1 (PTP1) fungerer som undertrykkere av upassende MPK3/MPK6-avhengig stresssignalering [74,75]. I tillegg kan fosforylering føre til tilbakemeldingsdefosforylering; for eksempel er MKP1 fosforylert av MPK6, et av MKP1s substrater [76].

3.2. Ubiquitinering

Ubiquitin (Ub) er kovalent festet til spesifikke lysinrester av målproteiner gjennom en enzymatisk kaskade, som er reversibel (Figur 2) [77]. De fleste ubiquitylerte proteiner, spesielt de modifisert med lysine48(K48)-koblede polyubiquitinkjeder, er målrettet for nedbrytning av 26S-proteasomet [78,79]. Ikke desto mindre har ubiquitinering flere funksjoner inkludert signalering, endocytisk trafficking, etc., avhengig av den spesifikke tilknytningskoblingen [80,81]. Ubiquitin-systemet er nødvendig for medfødt immunitet og dets regulering [82,83].

For eksempel forhindrer uttrykket av en ubiquitin-variant med en K48R (lysin-til-arginin) endring K48-vedlegg (Figur 2) og endrer responsene på virus i tobakk [82]. K48 er en av de mest tallrike ubiquitin-vedleggene som forårsaker ubiquitin-mediert proteasomal nedbrytning, selv om andre koblinger kan være involvert [77,84]. Ulike enzymer av ubiquitinmaskiner påvirker immuniteten. Arabidopsis har to Ub E1-er, UBIQUITIN ACTIVATING ENZYME 1 (UBA1) og UBA2, som er delvis overflødige. Nullmutanten til UBA1, mos1, er defekt i medfødt immunitet, mens uba2 nullmutantplantene ikke har defekter i immunitet. Det ble vist at aktivering og nedstrøms signalering av flere resistens (R) proteiner krever Ub E1 UBA1 [83].

Mange E3 ubiquitin-ligaser er involvert i planteimmunitet ved å utføre ubiquitinering til målsubstrater [85]. Ubiquitinering er avgjørende for å regulere nivåene av planteimmunsystemkomponenter gjennom proteinomsetning for å unngå overdreven eller upassende respons. Dette er illustrert av plantens u-boks 13 (pub13) mutant som har forbedret immunrespons på patogenangrep eller flg22 persepsjon.

Imidlertid demonstrerer pub13-mutanten autoimmune responser, nemlig å forårsake spontan celledød og akkumulering av ROS i fravær av stress, noe som viser viktigheten av PTM-regulering [86]. Det ble videre vist at FLS2 er spesifikt polyubiquitinert av ubiquitin E3-ligaser PUB12/13 som målretter FLS2 for nedbrytning. Interessant nok aktiverer fosforylering av BAK1 PUB12/13 etter at FLS2 binder flagellin, noe som demonstrerer tilbakemeldingsdempningen til FLS2-svar og avhengigheten av flere PTM-er i forsvarsregulering [86]. BAK1-kinaseaktivitet er essensiell for å formidle dens interaksjon med PUB13 siden den BAK1-kinase-inaktive mutanten som har K317M-substitusjonen ikke lenger kunne samhandle med PUB13 [87]. PUB13 ubiquitinerer også LYSM-INNHOLDENDE RESEPTOR-LIKNENDE KINASE 5 (LYK5), og målretter den for nedbrytning for å regulere kitin-utløst forsvar (Figur 1) [88]. Ub E3 ligase PUB25/26 retter seg mot ikke-aktivert immunkinase BIK1 for nedbrytning for å modulere BIK1-nivåer (Figur 1) [89]. PUB4 interagerer med CERK1 og er en positiv regulator av kitin-induserte immunresponser [90].

Overakkumulering av NLR-er fører ofte til autoimmune responser. For å forhindre dette er NLR-proteiner SUPRESSOR OF NPR1-1, CONSTITUTIVE 1 (SNC1) og RESISTANT TO P. SYRINGAE 2 (RPS2) målrettet for ubiquitinering og nedbrytning av SKP1- CULLIN{{6} }F-boks (SCF) kompleks (Cheng et al., 2011). I motsetning til dette, bidrar Arabidopsis Ub E3-ligaser RPM1 INTERACTING PROTEIN 2 og 3 (RIN2 og RIN3) positivt til NLR-RESISTANCE TO P. SYRINGAE PV. MACULICOLA 1 (RPM1)- og RPS{18}}avhengig HR (Kawasaki et al., 2005).

Ubiquitinering er avgjørende for å tillate aktivering av JA-responser mot nekrotrofer. JASMONATE-ZIM-DOMAIN PROTEIN 1 (JAZ) proteiner fungerer som transkripsjonsrepressorer av JA-responsive gener [91]. Bioaktivt JA (jasmonat-isoleucin (JA-Ile) konjugat) fremmer den fysiske interaksjonen mellom ubiquitin-ligasekomplekset SCFCOI1 og JAZ-proteiner for å forårsake ubiquitin-mediert proteasomal nedbrytning av JAZ, for å tillate ekspresjon av JA-avhengige gener [91-93].

Selv om Ub E3s i stor grad bestemmer substratspesifisiteten [94–97], har deubiquitinerende enzymer (DUBs) også substratspesifisitet [80,98]. Dette er viktig i immunitet; for eksempel ble deubiquitinerende enzymer Arabidopsis UBIQUITIN-SPESIFIKKE PROTEASE 12 og 13 (AtUBP12 og AtUBP13) funnet å negativt regulere planteimmunitet [99]. Imidlertid er UBP12 og UBP13 positive regulatorer av JA-responser og kan virke ved å stabilisere MYC, noe som resulterer i at JA-banen undertrykker SA-mediert immunitet [100].

3.3. SUMOylering

Foruten ubiquitin, er ubiquitin-lignende polypeptider kovalent konjugert til substrater i eukaryoter via substratet lysin (Figur 2). En liten ubiquitin-lignende modifikator (SUMO) er en annen viktig PTM involvert i plantebiotiske stressresponser. Globale SUMOylome-endringer skjer ved patogenangrep [101–104]. For eksempel viste autoimmunsuppressoren til rps4-rld1-4 (srfr1-4)-mutanter store økninger i basale SUMO1/2-konjugater, det samme gjorde villtypeplanter utfordret med Pseudomonas syringae pv. tomat (Pst)DC3000, sammenlignet med WT ubehandlede planter.

Totalt sett ble srfr1-4-mutanten og PstDC3000-infiserte WT-planter funnet å dele 57,9 prosent av deres vanlige SUMO-substrater som består av vidtgående mål. De autoimmune srfr1-4-plantene har økte SA-nivåer og konstitutiv oppregulering av PR1/PR2-gener; hemmet vekst er også observert [105]. Signifikant er at tapet av EDS1 gjenoppretter SUMOylome i srfr1-4 til villtype (Col-0) nivåer og opphever veksthemming og autoimmunitet [106]. Derfor er SUMOylering og deSUMOylering avgjørende for forsvarsregulering.

Ulike SUMO-paraloger har forskjellige funksjoner, og forskjellige paraloger finnes i forskjellige arter [107]. I Arabidopsis hemmer SUMO1/2 SA-mediert forsvarsrespons i fravær av et patogen [108]. I kontrast fremmer SUMO3 planteforsvarsresponser nedstrøms for SA [109]. SUMO danner også ikke-kovalente interaksjoner med proteiner via SUMO-interaksjonsmotiver (SIM) som letter interaksjoner mellom SUMO-konjugerte proteiner og proteinpartnere med SIM-sted(er) for proteinkompleksdannelse [107,110].

Å endre det spesifikke mønsteret til PTM endrer plantens forsvarsrespons og evne til å motstå sykdom. For eksempel akkumulerer den OVERLY TOLERANT FOR SALT1 og -2 (OTS1/2) SUMO-protease-dobbelmutanten ots1ots2 økte nivåer av SUMO-konjugater, høyere nivåer av SA og økt resistens mot PstDC3000, sammenlignet med WT-planter. Det ble funnet at SUMO-proteaser OTS1 og OTS2 begrenser SA-biosyntese ved å undertrykke ISOCHORISMATE SYNTHASE1 (ICS1) uttrykk, og som en tilbakemeldingsmekanisme fremmer SA nedbrytningen av OTS1 og OTS2 for å modulere SA-signalering [101]. Tilsvarende har SUMO-proteasemutanter tidlig på korte dager 4 (esd4) høy SA-akkumulering [111]. Disse viser at det enzymatiske SUMO-maskineriet regulerer SA-mediert forsvar for å justere responsen på riktig måte [101,109].

Et annet aspekt ved SUMO-maskineriet for å påvirke forsvaret skildres av sap og miz 1 (siz1) SUMO E3 ligase Arabidopsis-mutanten med tap av funksjon. siz1-planter har reduserte SUMO-konjugater, dvergvekst, en autoimmun fenotype, karakterisert ved økt akkumulering av SA, økt ekspresjon av EDS1, PAD4 og PATHOGENESIS-RELATERTE(PR) gener, og større motstand mot bakteriene PstDC3000, sammenlignet med WT-planter [112 ]. Den autoimmune fenotypen siz1 er avhengig av TNL-immunreseptoren SNC1 [113,114]. TOPLESS-RELATERT 1 (TPR1), et SNC1-interagerende protein, interagerer fysisk med og er SUMOylert av SIZ1 [115]. Mutasjon av K282 og K721, de kritiske SUMOyleringsfestestedene til TOPLESS-RELATED 1 (TPR1) antydet at TPR1 SUMOylation undertrykker immunitet gjennom undertrykkelse av dens transkripsjonelle medrepressoraktivitet.

Dette fører til uttrykk for negative regulatorer av immunitet DEFENSE NO DEATH 1 (DND1) og DND2. I tillegg er SNC1 SUMOylert, som kanskje ytterligere virker for å undertrykke immunitet i fravær av patogener [113,115]. SNC1-transkripsjon kontrolleres av SUMOylering, i tillegg til at SNC1 er SUMOylert på proteinnivå [113], og SNC1-proteinnivå kontrolleres av ubiquitin-mediert nedbrytning, som nevnt i forrige avsnitt [116]. Det er viktig å kontrollere SNC1-aktivitet for å unngå overdreven immunrespons, noe som vil være skadelig for plantevekst og forårsake skade [117].

Forstyrrelse av PTM-enzymatiske maskineri understreker det faktum at endringer i PTM-feste/fjerning har dype effekter på plantefysiologi, inkludert regulering av forsvar.

Interessant nok har økt SUMOylering i ots1ots2-mutanter eller reduserte SUMOylation siz1-mutanter økt SA-nivåer som indikerer kompleksiteten til PTM-regulering, og at SUMOyleringsregulering er nøkkelen til å modulere riktig nivå av immunitet. Denne tette kontrollen av SUMO fremheves ytterligere som overekspresjon av de tre Arabidopsis SUMO (SUM)-genene resulterte i aktivering av SA-avhengige forsvarsresponser, det samme gjorde sum1sum2 knockdown-mutanten [109].

I tillegg til SA-signalering, har SUMO en rolle i å modulere JA-signalering. SUMO-konjugert til JAZ hemmer JA-reseptoren CORONATINE INSENSITIVE1 (COI1) gjennom COI1 SIM-stedet [118]. SUMO-protease OTS1/2-virkning eller nedbrytning avgjør om JA-responsen er aktivert eller hemmet, avhengig av typen patogen [118]. Det er vesentlig at SUMOylation samhandler med andre PTM-er, inkludert fosforylering og ubiquitinering, som vil bli skissert i den påfølgende delen.

3.4. Interaksjon mellom PTM-er

De fleste aspekter av immunitet er regulert av flere PTM-er, som ofte samhandler. PTM-er gjennomgår krysstale og har en gjensidig avhengighet. Et fremtredende eksempel er FLS2-signalering hvis regulering krever fosforylering, SUMOylering og ubiquitinering [48,86,119]. Under uinfiserte forhold assosieres FLS2 med BIK1 [21 120]. Når flg22 påvises, rekrutterer FLS2 koreseptorproteinkinase BAK1 som lar BIK1 og BAK1 gjennomgå gjensidig fosforylering [55,121,122].

I tillegg, ved flagellinoppfatning, er FLS2 SUMOylert på lysine1120, og utløser frigjøring av BIK1, som er avgjørende for den FLS2-mediert forsvarsrespons. DeSUMOylerende isopeptidase 3A (Desi3A) deSUMOylerer FLS2 for å negativt regulere immunsignalering i fravær av flagellin. Likevel, når flagellin påvises, blir Desi3A degradert for å øke nivåene av SUMOylert FLS2 og øke immunsignalering (figur 1) [48]. I tillegg ble det funnet at monoubiquitinering av BIK1 bidrar til ligandindusert BIK1-dissosiasjon fra reseptor FLS2 [123]. Som nevnt tidligere, utløser PUB12/13 nedbrytningen av FLS2 via ubiquitin-proteasomsystemet.

Post-translasjonell modifikasjon på PTM-maskinenzymer forekommer også i forsvar; for eksempel, CALCIUM-DEPENDENT PROTEIN KINASE 28 (CPK28) fosforylaser og aktiverer Ub E3-ligaser PUB25 og 26 for å øke ubiquitinering og proteasomal nedbrytning av ikke-aktivert BIK1 (Figur 1) [89,124]. Interaksjoner mellom Ub E3-ligaser og kinasedomenene ser ut til å være vanlig i reguleringen av RLK-er [125].

INGEN UTTRYKK ELLER AV PATOGENESERELATERTE GEN (NPR1) er en nøkkeltranskripsjonsfaktor i forsvaret ettersom den regulerer ekspresjonen av PR-gener som bidrar til etablering av systemisk ervervet resistens (SAR) [126]. Igjen er fosforylering, SUMOylering og ubiquitinering avgjørende for deres funksjon for passende forsvarsresponser (figur 1). SUMOylering samhandler med fosforylering for å kontrollere NPR1-funksjoner: fosforylering av Ser55 og Ser59 forhindrer NPR1 SUMO-feste. SUMOyleringsstatusen til NPR1 endrer samspillet med partnere. Ikke-SUMOylert NPR1 samhandler med WRKY70 for å undertrykke uttrykket av PR1. Ved patogenutfordring fremmer SA-akkumulering defosforylering av Ser55/Ser59, slik at NPR1 kan bli SUMOylert, noe som provoserer NPR1 til å samhandle med TGA3 for å fremme PR1-genekspresjon [127,128].

Videre er NPR1-interaksjon med SUMO3 nødvendig for Ser11/Ser15-fosforylering, som forårsaker ubiquitinering og nedbrytning av NPR3-CULLIN3 E3-komplekset for spesifikk og forbigående immuninduksjon [129]. NPR1-nedbrytning er viktig for hele spekteret av forsvarsgenaktivering og for aktivering av ETI og programmert celledød på infeksjonsstedet, der SA-nivåer er høye [126], mens SA-nivåer i naboceller er middels for å tillate NPR1-funksjon [130] . SA-induserte PR-gener koder for flere antimikrobielle metabolitter inkludert endoglukanaser, kitinaser, defensiner, etc. [131]. Dette siterte eksemplet viser at fosforyleringssteder har motsatte funksjoner og at spesifikke PTM-mønstre gir utfall når det gjelder forsvarsrespons. Multiple-PTM sekvensiell prosess gir mer presis kontroll for å tillate ubiquitin-mediert nedbrytning til rett tid når patogener ikke oppdages [132]. NPR1 har en funksjonelt bevart rolle i avlinger; dermed er potensielt SUMO involvert i reguleringen av ortologer som ligner på Arabidopsis, men dette må undersøkes [126,133].

Betydelig krysstale eksisterer mellom SUMOylering og ubiquitinering, spesielt som en del av negativ tilbakemelding for å indusere proteinets nedbrytning; for eksempel kan SIZ1 SUMOylere CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC 1 (COP1), som øker trans-ubiquitineringsaktiviteten til COP1, en multi-subunit E3-ligase som positivt regulerer sykdomsresistens mot virus [134,135]. Etter SUMOylering ubiquitinerer COP1 SIZ1 og forårsaker dens nedbrytning; derfor regulerer ubiquitinering cellulær SUMOylering ved å regulere SIZ1, så vel som SIZ1 som fremmer COP1 ubiquitineringsaktivitet [136].

Flere SUMO-mål overlapper med MAPK-fosforyleringsmål i immunitetsregulering [137]. Flere WRKY-er ble identifisert som mål for SUMO1 av proteomikk, så vel som MAPK-fosforylering [104]. For å støtte dette ble det vist at som svar på Botrytis cinerea-infeksjon og flg22-elicitor-behandling, er WRKY33 SUMOylert, som tillater WRKY33-fosforylering av MPK3/6 for aktivering av transkripsjonsfaktoraktivitet som fører til økt camalexin-biosyntese (Figur 1) [138].

Det er tydelig at PTM-er er avgjørende for planteforsvarsresponser og sykdomsresistens i Arabidopsis, og etter dette funnet er PTM-er illustrert som like viktige i avlingsarter og representerer en utmerket ressurs som kan utnyttes i avlingsforbedring. Generelle mekanismer for immunitet er like i Arabidopsis og avlingsarter sammen med klasser av proteiner; Imidlertid er presise mekanismer, interaksjoner, proteinkomplekser og PTM-er spesifikke for arten og variasjonen [17]. En studie fant at 1619 fosfositter i Arabidopsis var nøyaktig på linje med fosfositter fra andre plantearter, noe som indikerer noen likheter i proteinfosforylering i Arabidopsis og avlinger [139]. I flere tilfeller viser forsvarsproteinortologer en bevart rolle blant forskjellige plantearter; for eksempel PRR-er, MAPK-kaskader, WRKY TF-er, NPR1, ubiquitin-ligaser og ubiquitineringsmediert proteasomal nedbrytning modulerer forsvarsproteinakkumulering [80,81,126,133,140–144].

I ris kan forskjeller i sykdomsresistens avhenge av PTM-mønsteret, som ble antydet av funnet at antall og distribusjon av fosforyleringsmotiver er forskjellig mellom resistente og mottakelige alleler av Pi54 [145,146]. Funn av PTM-krysstale i avlinger viser at PRR-mediert signalering i ris avhenger av spesifikke fosforyleringsmønstre og ubiquitin-mediert kontroll. XA21 Thr705-resten er avgjørende for ris PRR XA21 autofosforylering. Thr705 er også avgjørende for interaksjonen mellom XA21 og ris XA21-bindende protein 3 (XB3), en ubiquitin-ligase som kreves for full XA21-mediert resistens [147,148]. Dette ble demonstrert ved bruk av fosfo-null-mutantvarianter, XA21T705A og XA21T705E, som begge ikke er i stand til å transdusere den XA21-mediert immunrespons eller samhandle med XA21-bindende proteiner [147]. Etter PAMP-oppfatning av XA21 (som gjenkjenner Xanthomonas oryzae pv oryzae-avledede sulfonerte peptider, [149]), transfosforylerer XA21 spesifikt XB3, som har vist seg å autoubiquitinere in vitro, noe som kan føre til aktivering av MAPK-kaskader [15] [15] . Rollen til XB3 kan bli bevart mellom arter i å regulere celledød [151].

I tillegg til fosforylering og ubiquitinering, er tydelig spesifikk SUMOyleringsregulering essensiell i avlingsimmunitet siden patogeneffektorer patogenisitet ved deSUMOylering [140]. Den neste delen vil beskrive mer detaljert hvordan patogener kaprer PTM-systemene for deres fordel, dvs. for å unngå vertsforsvar og få næringsstoffer for å fremme patogenspredning.

For more information:1950477468nn@gmail.com