Розуміння та використання посттрансляційних модифікацій для стійкості рослин до хвороб, частина 1

Анотація:

Рослинам постійно загрожують патогени, тому для подолання атак патогенів були розроблені складні захисні сигнальні мережі. Посттрансляційні модифікації (ПТМ) є фундаментальними для імунітету рослин, що дозволяє швидко та динамічно реагувати у відповідний час. Регулювання PTM є важливим; ефектори патогенів часто порушують PTM, намагаючись уникнути імунної відповіді.

Тут ми розглядаємо механізми стійкості хвороб до патогенів і те, як ріст збалансований із захистом, з акцентом на важливу роль ПТМ. Зміна пов’язаних із захистом PTM має потенціал для точного налаштування молекулярних взаємодій для отримання стійких до хвороб культур без компромісів у зростанні та придатності.

Механізми резистентності тісно пов'язані з імунітетом. Механізми резистентності включають систему захисту організму від бактерій, вірусів та інших чужорідних речовин, головним чином включаючи шкірні та слизові бар’єри, неспецифічний клітинний захист, запальні реакції та специфічний імунний захист. Резистентність тісно пов'язана з імунітетом. Нам також потрібно зміцнювати імунітет у повсякденному житті. М'ясна паста містить різноманітні біологічно активні інгредієнти, такі як полісахариди, гриби, жовті лілії. Ці інгредієнти можуть стимулювати імунну систему різних типів клітин, підвищуючи їхню імунну активність.

Натисніть добавку Cistanche deserticola

Ключові слова:

посттрансляційні модифікації; імунітет рослин; фосфорилювання; убіквітування; SUMOylation; захист.

1. Введення

Ріст і виживання рослин постійно знаходяться під загрозою біотичного стресу, включаючи рослинні патогени, що складаються з вірусів, бактерій, грибів і хромісти. У контексті сільського господарства втрати врожаю сільськогосподарських культур через патогени оцінюються приблизно в 20 відсотків у всьому світі в основних культурах [1]. Поширення шкідників і хвороб у нових середовищах зростає: більш екстремальні погодні явища, пов’язані зі зміною клімату, створюють сприятливе середовище для хвороботворних мікроорганізмів, що передаються через їжу та воду [2,3].

Значні оцінки втрат врожаю від хвороботворних мікроорганізмів підкреслюють необхідність вирощування сільськогосподарських культур із властивостями стійкості до захворювань проти існуючих і нових патогенів. Методи захисту рослин мають низьку ефективність проти патогенів, що включає фунгіциди та інсектициди, які контролюють передачу вірусів комахами; крім того, стійкість до цих хімічних речовин зростає [4,5]. Стійкість означає нездатність патогена завершити свій життєвий цикл на цьому виді рослин [6]; Націлювання на резистентність господаря для покращення є найбільш економічним та ефективним методом контролю за зниженням втрат врожаю через хвороби [7–9].

Розробка нових рішень цієї зростаючої проблеми вимагає глибшого розуміння механізмів захисту рослин. Крім експресії генів і транскриптоміки, протеоміка є особливо корисною, оскільки вона може безпосередньо вимірювати відносну кількість білка, а також виявляти посттрансляційні модифікації (PTM) [10]. PTM можуть активувати, деактивувати або змінювати функцію білка, щоб індукувати або послаблювати специфічні реакції рослин. Аналіз на рівні білка може виявити мішені патоген-господар, оборот білка та білок-білкові взаємодії в захисній сигналізації для модифікації та підвищення імунітету в культурах [11]. У цьому огляді описано функції PTM в імунітеті та потенціал маніпулювання PTM для підвищення стійкості до хвороб.

2. Основи захисту рослин

Через свою сидячу природу рослини значною мірою покладаються на хімічний захист від біотичного та абіотичного стресів [11]. Рослини постійно зазнають біотичних стресів: патогенна інфекція шкодить росту, розмноженню та виживанню рослин. Рослини мають захисні системи для подолання або зменшення атак патогенів, які включають фізичні бар’єри для запобігання проникненню патогенів і вроджену імунну систему для реагування на атаки патогенів [12].

Індукована вроджена імунна система рослин складається з імунітету, викликаного PAMP (PTI) і імунітету, викликаного ефектором (ETI), які значною мірою перекриваються (рис. 1) [13–16]. Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) використовується як переважна модельна система для вивчення молекулярних подій захисного сигнального шляху, але загальна система зберігається в одно- та дводольних [17]. Консервовані молекулярні структури мікробів, відомі як молекулярні патерни, асоційовані з патогенами (PAMP), розпізнаються рецепторами розпізнавання патернів на поверхні клітини (PRR), що запускає наступні імунні відповіді [13,18,19]. Чітко визначені взаємодії PAMP–PRR включають бактеріальний пептид флагеліну flg22 і його споріднений рецептор FLAGELLING-SENSING 2 (FLS2) [20, 21], бактеріальний фактор елонгації термально нестабільний (EFTu) і його рецептор EF-Tu рецептор (EFR) [22, 23], а також полісахарид клітинної стінки грибів хітин і його рецептор ХІТИН ЕЛІЦИТОР РЕЦЕПТОР КІНАЗА 1 (CERK1) [24,25]. Ці PRR є рецептороподібними кіназами, які ініціюють каскад фосфорилювання для активації пов’язаних із захистом ферментів або генів [26] (рис. 1).

Кілька ефекторів секретуються патогеном, щоб порушити клітинну функцію під час інфекції. На відміну від PAMP, ефектори різноманітні та включають білки, sRNA, хімічні речовини, токсини та гормони, які посилюють інфекцію патогенів, сприяючи патогену або пригнічуючи захист хазяїна. Внутрішньоклітинні рецептори, звані нуклеотид-зв’язуючим доменом, багаті на лейцин білки, що містять повтори (NLR, також відомі як NB-LRR), виявляють специфічні ефектори, що доставляються в рослинну клітину, щоб викликати ефекторний імунітет (ETI). NLR можуть самі виявляти ефектори або функціонувати як помічники для запуску трансдукції сигналу [27]. Виявлення за допомогою NLR відбувається або безпосередньо (модель рецептор-ліганд), або, у більшості випадків, опосередковано через механізми «охорони» або «приманки» [28,29]. Двома основними групами NLR є Toll-interleukin-1 рецептор-подібний нуклеотид-зв’язуючий сайт лейцин-збагачений повтор (TNL) і спіральний (CC)-NBSLRR (CNL) [27,30].

Крім того, стійкість до борошнистої роси 8 (RPW8)-NBS-LRR (RNL) функціонує як допоміжний NLR [31,32]. Білки нижче за активацію NLR включають NON-RACE-SPECIFIC DISEASE RESISE RESISTANCE 1 (NDR1) і ENHANCED DISEASE SUSCEPTIBILITY 1 (EDS1) [33] (рис. 1). Ці шляхи призводять до таких результатів, як накопичення саліцилової кислоти та активація захисних генів [34,35].

Молекулярні та фізіологічні зміни, індуковані після PRR та NLR, включають активацію мітоген-активованої протеїнкінази (MAPK), продукцію активних форм кисню (ROS), закриття продихів, експресію захисних генів, реакцію гіперчутливості (HR) та загибель клітин, відкладення калози та лігніфікацію , зниження фотосинтезу, посилення дихання та експресії білків, пов’язаних із патогенезом (PR), і продукування антимікробних сполук [10,11,36–38]. Сприйняття патогенів викликає зміни в рівнях гормонів, включаючи саліцилову кислоту (SA), яка забезпечує захист від біотрофів і гемібіотрофів, і жасмонову кислоту (JA)/етилен, яка забезпечує захист від некротрофів [39].

Розуміння захисної реакції рослин у модельному організмі Arabidopsis або сільськогосподарських культур ще не повне. Багато досліджень спиралися на геномну або транскриптоміку; проте транскрипційні зміни не відображають повних клітинних регуляторних процесів, оскільки посттранскрипційні процеси, які змінюють кількість активного білка, синтез, деградацію, процесинг і модифікацію білків, не враховуються.

Таким чином, для отримання повної картини регуляторних елементів у взаємодії рослина–патоген необхідні додаткові підходи, такі як профіль експресії на основі протеомів [40]. Практично на кожному етапі захисту важливі PTM, що дозволяють швидко активувати та сигналізувати; PTM діють як молекулярні перемикачі, щоб швидко змінити функції білка [41,42]. У цьому огляді серед інших підходів розглядаються PTMs у покращенні врожаю. Модифікація PTM може запропонувати більш тонкий підхід і спровокувати меншу втрату врожайності, ніж нокаут генів або впровадження генів.

3. Посттрансляційні модифікації відіграють вирішальну роль у захисті

Посттрансляційні модифікації мають вирішальне значення для захисних реакцій рослин і беруть участь майже в усіх аспектах росту та розвитку рослин. PTM дозволяють розширити функцію білка понад структуру, визначену первинною послідовністю амінокислот, щоб контролювати майже всі характеристики функції білка. Системи PTM націлені на численні збудники; таким чином, PTM варто досліджувати з точки зору модифікації та експлуатації в культурах. Ця робота буде зосереджена на фосфорилюванні, убіквітинуванні та SUMOylation, найбільш добре вивчених PTM, які є оборотними (рис. 2). Інші, про які слід коротко згадати, це N-мірістоїлювання, S-ацилювання, S-нітрозилування, ацетилювання, глікозилювання, сульфування та редокс-модифікація, які також відіграють роль у імунітеті [42,43], але не розглядаються в цьому огляді. Зворотність має вирішальне значення для регулювання інтенсивності та тривалості білкової активності та захисної реакції [44].

Рисунок 2. Шляхи посттрансляційної модифікації. Фосфорилювання — це процес, який каталізується протеїнкіназами, під час якого фосфатна група (PO4) переноситься з АТФ на гідроксильні групи бічного ланцюга на залишках серину, треоніну або тирозину цільового білка. Фосфатази гідролізують фосфодіефірний зв’язок для видалення фосфатної групи. Убіквітинація включала послідовну дію убіквітин-активуючих ферментів (E1), убіквітин-кон’югуючих ферментів (E2) і убіквітин-протеїнових лігаз (E3) для ковалентного приєднання убіквітину до цільового лізину.

Різні зв’язки убіквітину та довжина ланцюга мають різні функції; наприклад, K48-зв’язаний тетраубіквітин націлюється на білок для протеасомної деградації 26S. Деубіквітінуючі ферменти (DUB) каталізують деубіквітинацію. SUMOylation є аналогом убіквітинування та включає послідовну дію ферментів SUMO E1, E2 та E3 для ковалентного приєднання SUMO до цільового лізину. SUMO синтезується як неактивний попередник, С-кінцевий пептид якого розщеплюється протеазою SUMO, що оголює дігліциновий мотив. Протеази SUMO також каталізують видалення SUMO.

3.1. Фосфорилювання

Фосфорилювання має першочергове значення в кількох аспектах імунітету для контролю активності ферментів і передачі сигналів. Фосфорилювання є вирішальним у реакціях PRR вниз за потоком через каскади фосфорилювання; фосфорилювання є швидким і тимчасовим перемиканням (рис. 2) і є важливим для передачі імунного сигналу [42]. Сприйняття ліганду в кількох PRR стимулює залучення корецепторної BRI1-АСОЦІЙОВАНОЇ РЕЦЕПТОРНОЇ КІНАЗИ (BAK1) (також відомої як РЕЦЕПТОРНА КІНАЗА 3 СОМАТИЧНОГО ЕМБРІОГЕНЕЗУ (SERK3)), яка гетеродимеризується за допомогою кількох рецептороподібних кіназ (RLK), включаючи FLS2 , НЕЧУТЛИВИЙ ДО БРАСИНОСТЕРОЇДІВ-1 (BRI1) і EFR [45]. BAK1 диференційовано фосфорилюється в комплексі з різними комплексами PRR [46]. BOTRYTIS-ІНДУКУВАНА КІНАЗА 1 (BIK1) є субстратом BAK1 і є парною ознакою багатьох захисних сигнальних шляхів. Аутофосфорилювання та трансфосфорилювання є важливими як для BIK1, так і для BAK1 у їхній взаємодії та взаємодії з іншими нижніми компонентами в передачі сигналу [45]. Дисоціація BIK1 активує низхідну передачу сигналів, таку як активація каскадів MAPK, перепрограмування транскрипції та виробництво ROS [47,48]. BIK1 безпосередньо фосфорилює гомолог білка D респіраторної оксидази (RbohD), НАДФН-оксидази, яка виробляє вибух АФК, щоб викликати закриття продихів і діяти як антимікробні молекули [49, 50].

BAK1 є ключовою кіназою в імунітеті рослин, яка сама має численні сайти фосфорилювання для регулювання специфічних виходів, як показали дослідження мутагенезу. Деякі сайти фосфорилювання мають позитивний вплив, а деякі мають негативний вплив на функцію BAK1 [51,52]. Мутація T455A (треонін-аланін) скасовує активність кінази BAK1, а консервативний залишок BAK1 Y403 є важливим для ліганд-індукованої активації імунорецепторного комплексу [53]. Патерни фосфорилювання специфічні для опосередкування відповіді, що дозволяє BAK1 регулювати захист і передачу сигналів брасиностероїдів.

Наприклад, було припущено, що конкретні мутантні варіанти BAK1 BAK1C408Y і BAK1T450A провокують диференціальне фосфорилювання на специфічних рецепторах. Цей висновок був зроблений, оскільки мутантні фенотипи BAK1C408Y і BAK1T450A демонструють порушення захисної сигналізації, але з диким типом (WT), подібним до BAK1-опосередкованої брасиностероїдної (BR) сигналізації [53,54]. Ці фенотипи відрізняються від нульового алеля BAK1; таким чином, явні мутації в специфічних залишках можуть змінити фенотип [46,55]. Цікаво, що мутація в C408 зменшила фосфорилювання Y403, показано за допомогою специфічного антитіла pY403, яке підкреслює, що залишки, що оточують сайт приєднання PTM, можуть впливати на статус PTM [56]. Цей підхід мутагенезу до потенційно мутованих залишків, що оточують PTM, може бути вигідним для стабілізації/дестабілізації PTM без блокування утворення PTM, щоб зменшити або посилити взаємодію за деяких обставин.

Зрозуміло, що фосфорилювання є центральним для захисту в передачі сигналу [57]; активація MAPK MPK3, MPK4 та MPK6 (MPK3/4/6) є ознакою активації імунної системи та має вирішальне значення для встановлення стійкості до захворювань [58]. Усі відомі PRR активують два каскади MAPK (рис. 1), що складаються з MAPK-кінази (MKKK), MAPK-кінази (MKK) і MAPK: MAPKKK3/MAPKKK5-MKK4/MKK5-MPK3/MPK6, які позитивно регулюють захисту та MEKK1 - MKK1/MKK2-MPK4, який негативно регулює імунні відповіді [58–62]. Фосфорилювання наступних субстратів, таких як фактори транскрипції WRKY, викликає транскрипційні зміни [63]. Наприклад, WRKY33 є субстратом MPK3/6, який активує транскрипцію PHYTOALEXIN DEFICIENT 3 (PAD3), що кодує фермент цитохрому P450 (CYP71B15), який виконує останню стадію біосинтезу камалексину, викликаючи індукцію камалексину, який має антимікробну дію [63]. ,64].

Крім того, активація MPK3/6 має вирішальне значення для інгібування фотосинтезу для сприяння накопиченню АФК у хлоропластах і загибелі клітин HR [65]. Крім того, MPK4 є мішенню для ефектора HopAI1 бактерії Pseudomonas syringae типу III і діє як охоронець NLR-СУПРЕСОРУ MKK1 MKK2 2 (SUMM2) [66]. Порушення кіназного каскаду MEKK1-MKK1/2-MPK4 призводить до конститутивних імунних відповідей, опосередкованих білком NLR SUMM2 [67].

Оборотність має першочергове значення для контролю станів фосфорилювання для регулювання трансдукції сигналу, конститутивна активація захисту призводить до дефектів росту [68]. Фосфорилювання комплексів PRR, включаючи FLS2-BAK1-BIK1, негативно регулюється БІЛКОВОЮ ФОСФАТАЗОЮ ТИПУ 2A (PP2A) і БІЛКОВОЮ ФОСФАТАЗОЮ ТИПУ 2C (PP2C) [42,69,70].

Так само CERK1-ВЗАЄМОДІЙНА БІЛКА ФОСФАТАЗА 1 (CIPP1) дефосфорилює CERK1 за відсутності хітину, щоб негативно регулювати передачу сигналів CERK1 [71]. Фосфатази ARABIDOPSIS PHOSPHATASE 2Cs (AP2Cs) взаємодіють з MPK3, 4 і 6, щоб негативно регулювати вроджений імунітет проти некротрофного грибкового збудника Botrytis cinerea [72,73]. MAP KINASE PHOSPHATASE1 (MKP1) і PROTEIN TYROSINE PHOSPHATASE1 (PTP1) діють як репресори невідповідної MPK3/MPK6-залежної передачі сигналів стресу [74,75]. Крім того, фосфорилювання може призвести до дефосфорилювання за зворотним зв'язком; наприклад, MKP1 фосфорилюється MPK6, одним із субстратів MKP1 [76].

3.2. Убіквітування

Убіквітин (Ub) ковалентно приєднується до специфічних залишків лізину цільових білків через ферментативний каскад, який є оборотним (рис. 2) [77]. Більшість убіквітованих білків, особливо модифікованих поліубіквітиновими ланцюгами, пов’язаними з лізином48(K48), націлені на деградацію 26S протеасомою [78,79]. Тим не менш, убіквітування виконує кілька функцій, включаючи передачу сигналів, ендоцитну торгівлю тощо, залежно від конкретного зв’язку прикріплення [80,81]. Система убіквітину необхідна для вродженого імунітету та його регуляції [82,83].

Наприклад, експресія варіанту убіквітину зі зміною K48R (лізин-аргінін) запобігає прикріпленню K48 (рис. 2) і змінює відповіді на віруси в тютюні [82]. K48 є одним із найпоширеніших убіквітинових прикріплень, які спричиняють убіквітин-опосередковану протеасомну деградацію, хоча можуть бути задіяні й інші зв’язки [77,84]. Різні ферменти механізму убіквітину впливають на імунітет. Arabidopsis має два Ub E1, UBIQUITIN ACTIVATING ENZYME 1 (UBA1) і UBA2, які є частково зайвими. Нульовий мутант UBA1, mos1, має дефекти вродженого імунітету, тоді як рослини з нульовими мутантами uba2 не мають дефектів імунітету. Було показано, що для активації та низхідної передачі сигналів кількох білків резистентності (R) необхідний Ub E1 UBA1 [83].

Багато убіквітинових лігаз E3 беруть участь у імунітеті рослин, здійснюючи убіквітування до цільових субстратів [85]. Убіквітування має важливе значення для регулювання рівнів компонентів імунної системи рослин через білковий обмін, щоб уникнути надмірних або невідповідних реакцій. Це проілюстровано мутантом рослини u-box 13 (pub13), який має посилені імунні відповіді на атаку патогенів або сприйняття flg22.

Однак мутант pub13 демонструє аутоімунні реакції, а саме, спричиняє спонтанну загибель клітин і накопичення АФК за відсутності стресу, що свідчить про важливість регуляції PTM [86]. Крім того, було показано, що FLS2 специфічно поліубіквітується лігазами убіквітину E3 PUB12/13, які спрямовані на FLS2 для деградації. Цікаво, що фосфорилювання за допомогою BAK1 активує PUB12/13 після того, як FLS2 зв’язує флагеллін, демонструючи ослаблення відповідей FLS2 за зворотним зв’язком і залежність від кількох PTM у регуляції захисту [86]. Активність кінази BAK1 є важливою для опосередкування її взаємодії з PUB13, оскільки неактивний до кінази BAK1 мутант, який має заміну K317M, більше не міг взаємодіяти з PUB13 [87]. PUB13 також убіквітує LYSM-МІСТЬ РЕЦЕПТОР-ПОДІБНУ КІНАЗУ 5 (LYK5), націлюючи її на деградацію для регулювання захисту, викликаного хітином (рис. 1) [88]. Лігаза Ub E3 PUB25/26 націлюється на неактивовану імунну кіназу BIK1 для деградації, щоб модулювати рівні BIK1 (рис. 1) [89]. PUB4 взаємодіє з CERK1 і є позитивним регулятором індукованих хітином імунних відповідей [90].

Надмірне накопичення NLR часто призводить до аутоімунних реакцій. Щоб запобігти цьому, білки NLR SUPPRESSOR OF NPR1-1, CONSTITUTIVE 1 (SNC1) і RESISTANT TO P. SYRINGAE 2 (RPS2) призначені для повсюдного поширення та деградації SKP1- CULLIN{{6} }Комплекс F-box (SCF) (Cheng et al., 2011). Навпаки, лігази Arabidopsis Ub E3, ВЗАЄМОДІЮЧІ БІЛКИ 2 і 3 RPM1 (RIN2 і RIN3), роблять позитивний внесок у СТІЙКІСТЬ NLR ДО P. SYRINGAE PV. MACULICOLA 1 (RPM1)- і RPS2-залежна HR (Kawasaki et al., 2005).

Убіквітування є важливим для активації відповідей JA проти некротрофів. Білки JASMONATE-ZIM-DOMAIN PROTEIN 1 (JAZ) функціонують як репресори транскрипції JA-реагуючих генів [91]. Біоактивний JA (кон’югат жасмонат-ізолейцин (JA-Ile)) сприяє фізичній взаємодії між убіквітин-лігазним комплексом SCFCOI1 і білками JAZ, щоб викликати опосередковану убіквітином протеасомну деградацію JAZ, щоб забезпечити експресію JA-залежних генів [91–93].

Хоча Ub E3 значною мірою визначають субстратну специфічність [94–97], деубіквітінуючі ферменти (DUB) також мають субстратну специфічність [80,98]. Це важливо для імунітету; наприклад, було виявлено, що деубіквітінуючі ферменти Arabidopsis UBIQUITIN-SPECIFIC PROTEASE 12 і 13 (AtUBP12 і AtUBP13) негативно регулюють імунітет рослин [99]. Однак UBP12 і UBP13 є позитивними регуляторами відповідей JA і можуть діяти, стабілізуючи MYC, в результаті чого шлях JA пригнічує SA-опосередкований імунітет [100].

3.3. СУМОілювання

Крім убіквітину, убіквітиноподібні поліпептиди ковалентно кон’юговані з субстратами в еукаріотах через субстрат лізин (рис. 2). Малий убіквітиноподібний модифікатор (SUMO) є ще одним важливим PTM, що бере участь у біотичних стресових реакціях рослин. Глобальні зміни SUMOylome відбуваються при атаках патогенів [101–104]. Наприклад, аутоімунний супресор мутантів rps4-rld1-4 (srfr1-4) ​​продемонстрував значне збільшення базальних кон’югатів SUMO1/2-, як і рослини дикого типу заражений Pseudomonas syringae pv. томат (Pst)DC3000 порівняно з необробленими рослинами WT.

Загалом було виявлено, що мутант srfr1-4 та інфіковані PstDC3000 рослини WT мають 57,9 відсотка спільних субстратів SUMO, які складаються з різноманітних мішеней. Аутоімунні рослини srfr1-4 мають підвищені рівні SA та конститутивну регуляцію генів PR1/PR2; також спостерігається затримка росту [105]. Важливо, що втрата EDS1 відновлює SUMOylome в srfr1-4 до рівня дикого типу (Col-0) і скасовує затримку росту та аутоімунітет [106]. Таким чином, SUMOylation і deSUMOylation є вирішальними для регулювання захисту.

Різні паралоги SUMO мають різні функції, і різні паралоги існують у різних видів [107]. У Arabidopsis SUMO1/2 пригнічує SA-опосередковані захисні реакції за відсутності збудника [108]. Навпаки, SUMO3 сприяє захисним реакціям рослин нижче за течією SA [109]. SUMO також утворює нековалентні взаємодії з білками за допомогою SUMO-взаємодіючих мотивів (SIM), які полегшують взаємодію між SUMO-кон’югованими білками та білковими партнерами, що містять SIM-сайт(и) для утворення білкового комплексу [107,110].

Зміна специфічної моделі PTM змінює захисні реакції рослини та здатність протистояти хворобам. Наприклад, НАДВИЖНО ТОЛЕРАНТНИЙ ДО SALT1 та -2 (OTS1/2) протеази SUMO подвійний мутант ots1ots2 накопичує підвищені рівні кон’югатів SUMO, вищі рівні SA та підвищену стійкість до PstDC3000 порівняно з рослинами WT. Було виявлено, що протеази SUMO OTS1 і OTS2 обмежують біосинтез SA шляхом пригнічення експресії ISOCHORISMATE SYNTHASE1 (ICS1), і як механізм зворотного зв’язку SA сприяє деградації OTS1 і OTS2 для модуляції передачі сигналів SA [101]. Подібним чином, мутанти протеази SUMO на початку короткого дня 4 (esd4) мають високе накопичення SA [111]. Вони показують, що ферментативний механізм SUMO регулює захист, опосередкований SA, щоб належним чином скорегувати відповідь [101,109].

Інший аспект механізму SUMO, що впливає на захист, представлений мутантом із втратою функції сап і miz 1 (siz1) SUMO E3 лігази Arabidopsis. Рослини siz1 мають знижену кількість кон’югатів SUMO, карликовість, аутоімунний фенотип, що характеризується підвищеним накопиченням SA, підвищеною експресією генів EDS1, PAD4 та PATHOGENESIS-RELATED(PR), а також більшою стійкістю до бактерій PstDC3000 порівняно з рослинами WT [112]. ]. Аутоімунний фенотип siz1 залежить від TNL імунного рецептора SNC1 [113,114]. TOPLESS-RELATED 1 (TPR1), білок, що взаємодіє з SNC1-, фізично взаємодіє з SIZ1 і SUMOiлюється ним [115]. Мутація K282 і K721, критичних сайтів приєднання SUMOylation TOPLESS-RELATED 1 (TPR1), свідчить про те, що SUMOylation TPR1 пригнічує імунітет через пригнічення його транскрипційної активності корепресора.

Це призводить до експресії негативних регуляторів імунітету DEFENCE NO DEATH 1 (DND1) і DND2. Крім того, SNC1 SUMOiled, що, можливо, додатково пригнічує імунітет за відсутності патогенів [113,115]. Транскрипція SNC1 контролюється SUMOylation, а також SNC1 SUMOylated на рівні білка [113], а рівень білка SNC1 контролюється убіквітин-опосередкованою деградацією, як зазначено в попередньому розділі [116]. Важливо контролювати активність SNC1, щоб уникнути надмірних імунних реакцій, які можуть бути шкідливими для росту рослин і завдати шкоди [117].

Порушення ферментативного механізму PTM підкреслює той факт, що зміни в прикріпленні/видаленні PTM мають глибокий вплив на фізіологію рослин, включаючи регуляцію захисту.

Цікаво, що підвищене SUMOylation у мутантів ots1ots2 або зменшене SUMOylation siz1 мутанти мають підвищені рівні SA, що вказує на складність регуляції PTM, і що регуляція SUMOylation є ключовою для модуляції правильного рівня імунітету. Цей суворий контроль над SUMO додатково підкреслюється, оскільки надмірна експресія трьох генів SUMO (SUM) Arabidopsis призвела до активації SA-залежних захисних реакцій, як і нокдаун-мутант sum1sum2 [109].

На додаток до сигналізації SA, SUMO відіграє роль у модулюванні сигналізації JA. SUMO, кон’югований з JAZ, інгібує JA-рецептор CORONATINE INSENSITIVE1 (COI1) через сайт COI1 SIM [118]. Дія або деградація протеази SUMO OTS1/2 визначає, активується чи пригнічується відповідь JA, залежно від типу збудника [118]. Важливо, що SUMOylation взаємодіє з іншими PTM, включаючи фосфорилювання та убіквітування, які будуть описані в наступному розділі.

3.4. Взаємодія між ПТМ

Більшість аспектів імунітету регулюються кількома PTM, які часто взаємодіють. PTM зазнають перехресних перешкод і мають взаємну залежність. Одним із яскравих прикладів є передача сигналів FLS2, регуляція якої потребує фосфорилювання, SUMOylation та ubiquitination [48,86,119]. У неінфікованих умовах FLS2 асоціюється з BIK1 [21,120]. Коли виявлено flg22, FLS2 рекрутує корецепторну протеїнкіназу BAK1, яка дозволяє BIK1 і BAK1 піддаватися взаємному фосфорилюванню [55,121,122].

Крім того, при сприйнятті флагеллінів FLS2 SUMOilated на lysine1120, викликаючи вивільнення BIK1, який є важливим для FLS2-опосередкованої захисної відповіді. ДеСУМОілююча ізопептидаза 3A (Desi3A) деСУМОілює FLS2, щоб негативно регулювати імунну передачу сигналів за відсутності флагеліну. Проте, коли флагеллін виявляється, Desi3A деградує, щоб підвищити рівень SUMOylated FLS2 і посилити імунну сигналізацію (рис. 1) [48]. Крім того, було виявлено, що моноубіквітування BIK1 сприяє ліганд-індукованій дисоціації BIK1 від рецептора FLS2 [123]. Як згадувалося раніше, PUB12/13 запускає деградацію FLS2 через убіквітин-протеасомну систему.

Посттрансляційна модифікація ферментів механізму PTM також відбувається в захисті; наприклад, КАЛЬЦІЙ-ЗАЛЕЖНА ПРОТЕЇНКІНАЗА 28 (CPK28) фосфорилазує та активує Ub E3 лігази PUB25 і 26 для посилення убіквітування та протеасомної деградації неактивованого BIK1 (рис. 1) [89,124]. Взаємодії між лігазами Ub E3 і кіназними доменами, здається, є звичайними при регуляції RLK [125].

NO EXPRESS OF PATOGENESIS-RELATED GENES (NPR1) є ключовим фактором транскрипції в захисті, оскільки він регулює експресію генів PR, що сприяє встановленню системної набутої резистентності (SAR) [126]. Знову ж таки, фосфорилювання, SUMOylation та ubiquitination є важливими для їх функції для відповідних захисних реакцій (рис. 1). SUMOylation взаємодіє з фосфорилюванням для контролю функцій NPR1: фосфорилювання Ser55 і Ser59 запобігає прикріпленню NPR1 SUMO. Статус SUMOylation NPR1 змінює його взаємодію з партнерами. НеSUMOiльований NPR1 взаємодіє з WRKY70, щоб придушити експресію PR1. Під час зараження патогеном накопичення SA сприяє дефосфорилюванню Ser55/Ser59, дозволяючи NPR1 стати SUMOylated, провокуючи NPR1 взаємодіяти з TGA3 для сприяння експресії гена PR1 [127,128].

Крім того, взаємодія NPR1 із SUMO3 необхідна для фосфорилювання Ser11/Ser15, що викликає убіквітування та деградацію комплексом NPR3–CULLIN3 E3 для специфічної та тимчасової імунної індукції [129]. Деградація NPR1 важлива для повного спектру активації захисного гена та для активації ETI та запрограмованої смерті клітин у місці інфікування, де рівні SA високі [126], тоді як у сусідніх клітинах рівні SA є проміжними, щоб забезпечити функцію NPR1 [130] . Гени PR, індуковані SA, кодують кілька антимікробних метаболітів, включаючи ендоглюканази, хітинази, дефензини тощо [131]. Цей наведений приклад показує, що сайти фосфорилювання мають протилежні функції і що специфічні шаблони PTM дають результати з точки зору захисної реакції. Послідовний процес з декількома PTM забезпечує більш точний контроль, щоб забезпечити опосередковану убіквітином деградацію в потрібний час, коли патогени не виявлені [132]. NPR1 має функціонально збережену роль у сільськогосподарських культурах; таким чином, потенційно SUMO бере участь у регуляції ортологів, подібних до Arabidopsis, але це потребує дослідження [126,133].

Значні перехресні перешкоди існують між SUMOylation і ubiquitination, зокрема як частина негативного зворотного зв'язку, щоб викликати деградацію білка; наприклад, SIZ1 може SUMOylate CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC 1 (COP1), який посилює транс-убіквітинаційну активність COP1, багатосубодиничної лігази E3, яка позитивно регулює стійкість вірусів до захворювань [134,135]. Після SUMOylation COP1 убіквітує SIZ1, викликаючи його деградацію; отже, убіквітування регулює клітинне SUMOylation шляхом регулювання SIZ1, а також SIZ1, що сприяє активності убіквітування COP1 [136].

Кілька мішеней SUMO збігаються з мішенями фосфорилювання MAPK у регуляції імунітету [137]. Декілька WRKY були ідентифіковані як мішені для SUMO1 протеомікою, а також фосфорилюванням MAPK [104]. Для підтвердження цього було показано, що у відповідь на інфекцію Botrytis cinerea та лікування еліситором flg22 WRKY33 є SUMOylated, що дозволяє фосфорилювати WRKY33 за допомогою MPK3/6 для активації активності фактора транскрипції, що призводить до збільшення біосинтезу камалексину (рис. 1) [138].

Зрозуміло, що PTM мають життєво важливе значення для захисних реакцій рослин і стійкості до хвороб у Arabidopsis, і після цього висновку PTM проілюстровано як такі ж важливі для видів сільськогосподарських культур і є чудовим ресурсом, який можна використовувати для покращення врожаю. Загальні механізми імунітету подібні у Arabidopsis і видів сільськогосподарських культур разом з класами білків; однак точні механізми, взаємодії, білкові комплекси та PTM є специфічними для виду та сорту [17]. Одне дослідження показало, що 1619 фосфозитів в Arabidopsis точно вирівнюються з фосфозитами будь-яких інших видів рослин, що вказує на певну подібність у фосфорилюванні білка в Arabidopsis та культурах [139]. У кількох випадках ортологи захисних білків демонструють збережену роль серед різних видів рослин; наприклад, PRR, каскади MAPK, WRKY TF, NPR1, убіквітинові лігази та опосередкована убіквітинуванням протеасомна деградація модулюють накопичення захисного білка [80,81,126,133,140–144].

У рису відмінності в стійкості до хвороб можуть залежати від моделі PTM, як було запропоновано виявленням того, що кількість і розподіл мотивів фосфорилювання відрізняються між стійкими та чутливими алелями Pi54 [145,146]. Результати перехресних перешкод PTM у культурах доводять, що PRR-опосередкована передача сигналів у рисі залежить від специфічних моделей фосфорилювання та контролю, опосередкованого убіквітином. Залишок XA21 Thr705 необхідний для автофосфорилювання PRR XA21 рису. Thr705 також необхідний для взаємодії між XA21 і рисовим XA21-зв’язуючим білком 3 (XB3), убіквітин-лігазою, яка необхідна для повної ХА21-резистентності [147,148]. Це було продемонстровано використанням мутантних варіантів із фосфоновим нулем, XA21T705A та XA21T705E, які не здатні трансдукувати XA21-опосередковану імунну відповідь або взаємодіяти з білками, що зв’язують XA21 [147]. Після сприйняття PAMP XA21 (який розпізнає сульфовані пептиди, похідні від Xanthomonas oryzae pv oryzae, [149]), XA21 спеціально трансфосфорилює XB3, який, як було показано, автоматично убіквітує in vitro, що може призвести до активації каскадів MAPK [148,150] . Роль XB3 може зберігатися між видами в регулюванні смерті клітин [151].

На додаток до фосфорилювання та убіквітування, чітко специфічна регуляція SUMOylation є важливою для імунітету культур, оскільки патогенні ефектори патогенні за допомогою деSUMOylation [140]. У наступному розділі буде описано більш детально, як патогени захоплюють системи PTM для своєї вигоди, тобто, щоб уникнути захисту господаря та отримати поживні речовини для сприяння проліферації патогенів.

For more information:1950477468nn@gmail.com