Razumijevanje i korištenje post-translacionih modifikacija za otpornost na bolesti biljaka Dio 1

sažetak:

Biljke su konstantno ugrožene patogenima, pa su razvile složene odbrambene signalne mreže za prevladavanje napada patogena. Posttranslacijske modifikacije (PTM) su fundamentalne za imunitet biljaka, omogućavajući brze i dinamične odgovore u odgovarajuće vrijeme. PTM regulacija je neophodna; efektori patogena često ometaju PTM u pokušaju da izbjegnu imunološki odgovor.

Ovdje pokrivamo mehanizme otpornosti bolesti na patogene i kako je rast uravnotežen sa odbranom, s fokusom na bitne uloge PTM-a. Izmjena PTM-ova vezanih za odbranu ima potencijal za fino podešavanje molekularnih interakcija za proizvodnju usjeva otpornih na bolesti, bez kompromisa u rastu i kondiciji.

Mehanizmi otpornosti su usko povezani sa imunitetom. Mehanizmi otpornosti uključuju odbrambeni sistem organizma od bakterija, virusa i drugih stranih supstanci, uglavnom uključujući barijere kože i sluzokože, nespecifične ćelijske odbrane, upalne odgovore i specifičnu imunološku odbranu. Otpornost je usko povezana sa imunitetom. Takođe moramo poboljšati imunitet u svakodnevnom životu. Mesna pasta sadrži razne biološki aktivne sastojke, kao što su polisaharidi, gljive i žuti ljiljani. Ovi sastojci mogu stimulirati imunološki sistem različitih vrsta ćelija, povećavajući njihovu imunološku aktivnost.

Click cistanche deserticola dodatak

Ključne riječi:

post-translacijske modifikacije; imunitet biljaka; fosforilacija; ubikvitinacija; SUMOylation; odbrana.

1. Uvod

Rast i opstanak biljaka su stalno ugroženi biotičkim stresom, uključujući biljne patogene koji se sastoje od virusa, bakterija, gljivica i hromista. U kontekstu poljoprivrede, gubici prinosa usjeva zbog patogena procjenjuju se na oko 20 posto širom svijeta kod osnovnih usjeva [1]. Širenje štetočina i bolesti u nova okruženja se povećava: ekstremniji vremenski događaji povezani s klimatskim promjenama stvaraju povoljno okruženje za patogene koji se prenose hranom i vodom [2,3].

Značajne procjene gubitaka usjeva od patogena naglašavaju potrebu za razvojem usjeva sa osobinama otpornosti na bolesti protiv postojećih i novih patogena. Metode zaštite useva imaju nisku efikasnost protiv patogena, što uključuje fungicide i insekticide koji kontrolišu prenos virusa insekata; štaviše, otpornost na ove hemikalije raste [4,5]. Rezistencija se odnosi na nesposobnost patogena da završi svoj životni ciklus na toj biljnoj vrsti [6]; Ciljanje otpornosti domaćina radi poboljšanja je najekonomičnija i najefikasnija metoda za kontrolu smanjenja gubitaka usjeva zbog bolesti [7–9].

Razvijanje novih rješenja za ovaj sve veći problem zahtijeva dublje razumijevanje odbrambenih mehanizama biljaka. Osim ekspresije gena i transkriptomije, proteomika je posebno korisna jer može direktno mjeriti relativnu količinu proteina, kao i detektirati post-translacijske modifikacije (PTM) [10]. PTM-ovi mogu aktivirati, deaktivirati ili promijeniti funkciju proteina kako bi izazvali ili umanjili specifične reakcije biljaka. Analiza na nivou proteina može otkriti ciljeve patogen-domaćin, promet proteina i interakcije protein-protein u odbrambenom signaliziranju za modificiranje i jačanje imuniteta u usjevima [11]. Ovaj pregled ocrtava funkcije PTM-a u imunitetu i potencijal da se manipuliše PTM-om kako bi se povećala otpornost na bolesti.

2. Okvir odbrane biljaka

Zbog svoje sjedeće prirode, biljke se u velikoj mjeri oslanjaju na kemijsku odbranu od biotičkih i abiotičkih stresova [11]. Biljke su stalno izložene biotičkim stresovima: infekcija patogenom šteti rastu, reprodukciji i opstanku biljaka. Biljke imaju odbrambeni sistem za prevladavanje ili smanjenje napada patogena, koji uključuju fizičke barijere za sprječavanje ulaska patogena i urođeni imuni sistem da odgovori na napade patogena [12].

Inducibilni urođeni imuni sistem biljke sastoji se od imunosti izazvanog PAMP-om (PTI) i imunosti izazvanog efektorima (ETI) koji se značajno preklapaju (Slika 1) [13–16]. Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) se koristi kao dominantan modelni sistem za proučavanje molekularnih događaja odbrambenog signalnog puta, ali je cjelokupni sistem konzerviran kod jednosupnica i dvosupnica [17]. Očuvane molekularne strukture mikroba poznate kao molekularni obrasci povezani s patogenom (PAMP) prepoznaju se receptorima za prepoznavanje uzoraka na površini ćelije (PRR), pokrećući nizvodne imunološke odgovore [13,18,19]. Dobro definirane PAMP-PRR interakcije su bakterijski flagelin peptid flg22 i njegov srodni receptor FLAGELING-SENSING 2 (FLS2) [20,21], bakterijski faktor elongacije termički nestabilan (EFTu) i njegov receptor EF-Tu receptor (EFR) [22, 23], te polisaharid ćelijskog zida gljivice hitin i njegov receptor CHITIN ELICITOR RECEPTOR KINAZA 1 (CERK1) [24,25]. Ovi PRR-ovi su kinaze slične receptorima koje pokreću kaskadu fosforilacije da aktiviraju enzime ili gene vezane za odbranu [26] (Slika 1).

Patogen luči nekoliko efektora kako bi poremetili ćelijsku funkciju tijekom infekcije. Za razliku od PAMP-a, efektori su raznoliki i uključuju proteine, sRNA, hemikalije, toksine i hormone koji povećavaju infekciju patogena tako što pogoduju patogenu ili potiskuju odbranu domaćina. Intracelularni receptori koji se nazivaju domena za vezivanje nukleotida, proteini bogati leucinom koji sadrže ponavljanje (NLRs, također poznati kao NB-LRR) otkrivaju specifične efektore koji se isporučuju u biljnu ćeliju kako bi pokrenuli imunitet izazvan efektorima (ETI). NLR mogu sami detektovati efektore ili funkcionisati kao pomoćnici za pokretanje transdukcije signala [27]. Detekcija pomoću NLR-a je ili direktno (model receptor-ligand) ili, u većini slučajeva, indirektno preko mehanizama 'čuvara' ili 'mamca' [28,29]. Dvije glavne grupe NLR-a su Toll-interleukin-1 nukleotidno-vezujuće mjesto receptora bogato leucinom, ponavljanje (TNL) i namotana zavojnica (CC)-NBSLRR (CNL) [27,30].

Nadalje, otpornost na pepelnicu 8 (RPW8)-NBS-LRRs (RNL) funkcionira kao pomoćni NLRs [31,32]. Proteini nizvodno od aktivacije NLR uključuju OTPORNOST NA BOLESTI 1 (NDR1) i POBOLJŠANU OSJEĆLJIVOST NA BOLESTI 1 (EDS1) [33] (Slika 1). Ovi putevi dovode do ishoda uključujući akumulaciju salicilne kiseline i aktivaciju odbrambenih gena [34,35].

Molekularne i fiziološke promjene inducirane nizvodno od PRR i NLR uključuju aktivaciju protein kinaze aktivirane mitogenom (MAPK), proizvodnju reaktivnih vrsta kisika (ROS), zatvaranje stomata, ekspresiju odbrambenih gena, preosjetljivi odgovor (HR) i smrt stanica, taloženje kaloze i lignifikaciju , smanjenje fotosinteze, pojačano disanje i ekspresija proteina KOJI SE ODNOSE NA PATOGENEZA (PR) i proizvodnju antimikrobnih jedinjenja [10,11,36–38]. Percepcija patogena pokreće promjene u razinama hormona uključujući salicilnu kiselinu (SA) koja posreduje u odbrani od biotrofa i hemi-biotrofa i jasmonsku kiselinu (JA)/etilen koji posreduje u odbrani od nekrotrofa [39].

Razumijevanje odbrambenog odgovora biljke u modelnom organizmu Arabidopsis ili usjeva nije potpuno. Mnoge studije su se oslanjale na genomsku ili transkriptomiku; međutim, transkripcione promene ne odražavaju kompletne ćelijske regulatorne procese, pošto posttranskripcioni procesi koji menjaju količinu aktivnog proteina, sintezu, degradaciju, obradu i modifikaciju proteina nisu uzeti u obzir.

Stoga su potrebni komplementarni pristupi kao što je profiliranje ekspresije zasnovano na proteomu da bi se dobila potpuna slika regulatornih elemenata u interakcijama biljka-patogen [40]. U skoro svakoj fazi odbrane, PTM-ovi su važni, omogućavajući brzo aktiviranje i signalizaciju; PTM-ovi djeluju kao molekularni prekidači za brzo mijenjanje funkcija proteina [41,42]. Ovaj pregled razmatra PTM u poboljšanju usjeva, između ostalih pristupa. PTM modifikacija može ponuditi nijansiraniji pristup i izazvati manje kazne prinosa od nokauta gena ili uvođenja gena.

3. Posttranslacijske modifikacije imaju kritičnu ulogu u odbrani

Posttranslacijske modifikacije su kritične za odbrambene reakcije biljaka i uključene su u gotovo svaki aspekt rasta i razvoja biljaka. PTM-ovi omogućavaju da se funkcija proteina proširi iznad one njegove strukture određene primarnom sekvencom aminokiselina kako bi se kontrolirale gotovo sve karakteristike funkcije proteina. PTM sistemi su meta brojnih efektora patogena; stoga, PTM-ove je vrijedno istražiti u smislu modifikacije i eksploatacije u usjevima. Ovaj rad će se fokusirati na fosforilaciju, ubikvitinaciju i SUMOilaciju, najbolje proučavane PTM-ove, koji su reverzibilni (Slika 2). Ostale koje treba ukratko spomenuti su N-miristoilacija, S-acilacija, S-nitrozilacija, acetilacija, glikozilacija, sulfonacija i redoks modifikacija, koji također imaju ulogu u imunitetu [42,43], ali nisu obuhvaćeni u ovom pregledu. Reverzibilnost je ključna za regulaciju intenziteta i trajanja proteinske aktivnosti i odbrambenog odgovora [44].

Slika 2. Putevi posttranslacijske modifikacije. Fosforilacija je proces kataliziran protein kinazama u kojem se fosfatna grupa (PO4) prenosi sa ATP-a na hidroksilne grupe bočnog lanca na ostacima serina, treonina ili tirozina na ciljnom proteinu. Fosfataze hidroliziraju fosfodiestersku vezu kako bi uklonile fosfatnu grupu. Ubikvitinacija je uključivala sekvencijalno djelovanje enzima koji aktiviraju ubikvitin (E1), enzima koji konjugiraju ubikvitin (E2) i ubikvitin-proteinskih ligaza (E3) da kovalentno vežu ubikvitin na ciljni lizin.

Različite veze za pričvršćivanje ubikvitina i dužine lanca imaju različite funkcije; na primjer, K48-povezan tetraubikvitin cilja na protein za 26S proteazomsku degradaciju. Deubikvitinirajući enzimi (DUB) kataliziraju deubikvitinaciju. SUMOilacija je analogna ubikvitinaciji i uključuje sekvencijalno djelovanje SUMO E1, E2 i E3 enzima da kovalentno vežu SUMO na ciljni lizin. SUMO je sintetiziran kao neaktivni prekursor čiji C-terminalni peptid je cijepljen od strane SUMO proteaze otkrivajući motiv di-glicina. SUMO proteaze također kataliziraju uklanjanje SUMO.

3.1. Fosforilacija

Fosforilacija je najvažnija u nekoliko aspekata imuniteta za kontrolu aktivnosti enzima i signalizacije. Fosforilacija je ključna u PRR nizvodnim odgovorima kroz kaskade fosforilacije; fosforilacija je brza i prolazna promena (slika 2) i neophodna je u transdukciji imunološkog signala [42]. Percepcija liganda u nekoliko PRR-ova stimuliše regrutaciju koreceptorske BRI1-POVEZANE RECEPTORSKE KINAZE (BAK1) (takođe poznate kao SOMATSKA EMBRIOGENEZA RECEPTOR KINAZA 3 (SERK3)), koja se heterodimerizuje sa nekoliko kinaza sličnih receptoru (FRL2) , BRASSINOSTEROID NEOSJETLJIV -1 (BRI1) i EFR [45]. BAK1 je različito fosforiliran kada je u kompleksu sa različitim PRR kompleksima [46]. BOTRYTIS-INDUCOVANA KINAZA 1 (BIK1) je supstrat BAK1 i para karakteristika u mnogim odbrambenim signalnim putevima. Autofosforilacija i transfosforilacija su bitne i za BIK1 i za BAK1 u njihovoj interakciji i interakciji s drugim nizvodnim komponentama u prijenosu signala [45]. BIK1 disocijacija aktivira signalizaciju nizvodno, kao što je aktivacija MAPK kaskade, transkripciono reprogramiranje i produkcija ROS [47,48]. BIK1 direktno fosforiliše homologni protein D oksidaze respiratornog pucanja (RbohD), NADPH oksidazu koja proizvodi ROS burst da izazove zatvaranje stomata i djeluje kao antimikrobni molekul [49,50].

BAK1 je ključna kinaza u biljnom imunitetu koja sama posjeduje brojna mjesta fosforilacije za regulaciju specifičnih izlaza, kao što pokazuju studije mutageneze. Neka mesta fosforilacije imaju pozitivne efekte, a neka negativno utiču na funkciju BAK1 [51,52]. Mutacija T455A (treonin-to-alanin) ukida aktivnost BAK1 kinaze, a konzervirani BAK1 ostatak Y403 je važan za ligandom indukovanu aktivaciju kompleksa imunog receptora [53]. Obrasci fosforilacije su specifični za posredovanje odgovora omogućavajući BAK1 da reguliše odbranu i brasinosteroidnu signalizaciju.

Na primjer, sugerirano je da specifične BAK1 mutantne varijante BAK1C408Y i BAK1T450A izazivaju diferencijalne obrasce fosforilacije na specifičnim receptorima. Ovaj zaključak je izvučen jer mutantni fenotipovi BAK1C408Y i BAK1T450A pokazuju poremećenu odbrambenu signalizaciju, ali sa BAK1-posredovanom signalizacijom brasinosteroida (BR) poput divljeg tipa (WT) [53,54]. Ovi fenotipovi se razlikuju od nultog alela BAK1; stoga, jasne mutacije u specifičnim ostacima mogu promijeniti fenotip [46,55]. Zanimljivo je da je mutacija u C408 smanjila fosforilaciju Y403, prikazanu korišćenjem specifičnog pY403 antitela, što naglašava da ostaci koji okružuju mesto vezivanja PTM mogu uticati na PTM status [56]. Ovaj pristup mutagenezi za potencijalno mutiranje ostataka koji okružuju PTM mogao bi biti koristan za stabilizaciju/destabilizaciju PTM-a bez blokiranja formiranja PTM-a, kako bi se interakcije smanjile ili poboljšale u nekim okolnostima.

Jasno je da je fosforilacija centralna za odbranu u transdukciji signala [57]; aktivacija MAPKs MPK3, MPK4 i MPK6 (MPK3/4/6) je znak aktivacije imunog sistema i ključna je za uspostavljanje otpornosti na bolesti [58]. Svi poznati PRR aktiviraju dvije MAPK kaskade (Slika 1) koje se sastoje od MAPK kinaze (MKKK), MAPK kinaze (MKK) i MAPK: MAPKKK3/MAPKKK5-MKK4/MKK5-MPK3/MPK6 koji pozitivno regulišu odbranu, i MEKK1 - MKK1/MKK2-MPK4 koji negativno reguliše imune odgovore [58–62]. Fosforilacija nizvodnih supstrata kao što su WRKY transkripcijski faktori uzrokuje transkripcione promjene [63]. Na primjer, WRKY33 je supstrat MPK3/6 koji aktivira transkripciju PHYTOALEXIN DEFICIENT 3 (PAD3) koji kodira enzim citokroma P450 (CYP71B15) koji provodi posljednji korak biosinteze kamaleksina, koji izaziva anti-3kamične efekte ,64].

Dodatno, aktivacija MPK3/6 je kritična za uključivanje inhibicije fotosinteze za promoviranje akumulacije ROS u hloroplastima i smrti HR ćelija [65]. Štaviše, MPK4 je meta bakterijskog efektora tipa III Pseudomonas syringae HopAI1 i djeluje kao čuvar NLR SUPRESORA MKK1 MKK2 2 (SUMM2) [66]. Poremećaj kaskade MEKK1-MKK1/2-MPK4 kinaze rezultira konstitutivnim imunološkim odgovorima posredovanim NLR proteinom SUMM2 [67].

Reverzibilnost je najvažnija za kontrolu stanja fosforilacije kako bi se regulisala transdukcija signala, konstitutivna aktivacija odbrane dovodi do defekata rasta [68]. Fosforilaciju PRR kompleksa uključujući FLS2-BAK1-BIK1 negativno regulišu PROTEIN FOSFATAZA TIP 2A (PP2A) i PROTEIN FOSFATAZA TIP 2C (PP2C) [42,69,70].

Slično, CERK1-INTERAKCIJA PROTEIN FOSFATAZE 1 (CIPP1) defosforilira CERK1, u odsustvu hitina, da negativno reguliše CERK1 signalizaciju [71]. Fosfataze ARABIDOPSIS FOSFATAZA 2Cs (AP2Cs) stupaju u interakciju sa MPK3, 4 i 6 da negativno regulišu urođeni imunitet protiv nekrotrofičnog gljivičnog patogena Botrytis cinerea [72,73]. MAP KINAZA FOSFATAZA1 (MKP1) i PROTEIN TIROZIN FOSFATAZA1 (PTP1) djeluju kao represori neodgovarajuće MPK3/MPK6-zavisne signalizacije stresa [74,75]. Dodatno, fosforilacija može dovesti do povratne defosforilacije; na primjer, MKP1 je fosforiliran MPK6, jednim od supstrata MKP1 [76].

3.2. Ubikvitinacija

Ubikvitin (Ub) je kovalentno vezan za specifične lizinske ostatke ciljnih proteina kroz enzimsku kaskadu, koja je reverzibilna (slika 2) [77]. Većina ubikvitiliranih proteina, posebno onih modificiranih poliubikvitinskim lancima povezanim s lizinom48(K48), ciljano je razgradnje pomoću 26S proteasoma [78,79]. Ipak, ubikvitinacija ima nekoliko funkcija uključujući signalizaciju, promet endocita, itd., ovisno o specifičnoj vezi vezivanja [80,81]. Ubikvitinski sistem je neophodan za urođeni imunitet i njegovu regulaciju [82,83].

Na primjer, ekspresija varijante ubikvitina s promjenom K48R (lizin u arginin) sprječava vezivanje K48 (slika 2) i mijenja odgovore na viruse u duhanu [82]. K48 je jedan od najzastupljenijih veza za ubikvitin koji uzrokuje proteazomalnu degradaciju posredovanu ubikvitinom, iako mogu biti uključene i druge veze [77,84]. Različiti enzimi ubikvitinske mašinerije utiču na imunitet. Arabidopsis ima dva Ub E1, UBIQUITIN ACTIVATING ENZYME 1 (UBA1) i UBA2, koji su djelimično redundantni. Nulti mutant UBA1, mos1, je defektan u urođenom imunitetu, dok uba2 nul mutantne biljke nemaju defekte u imunitetu. Pokazalo se da je za aktivaciju i nizvodnu signalizaciju nekoliko rezistentnih (R) proteina potreban Ub E1 UBA1 [83].

Mnoge E3 ubikvitin ligaze su uključene u imunitet biljaka tako što provode ubikvitinaciju do ciljnih supstrata [85]. Ubikvitinacija je neophodna za regulaciju nivoa komponenti imunološkog sistema biljaka kroz promet proteina kako bi se izbjegle pretjerane ili neodgovarajuće reakcije. Ovo ilustruje mutant biljke u-box 13 (pub13) koji ima pojačan imunološki odgovor na napad patogena ili percepciju flg22.

Međutim, pub13 mutant pokazuje autoimune odgovore, naime, izaziva spontanu ćelijsku smrt i akumulaciju ROS u odsustvu stresa, što pokazuje važnost PTM regulacije [86]. Nadalje je pokazano da je FLS2 specifično poliubikvitiniran ubikvitin E3 ligazama PUB12/13 koje ciljaju FLS2 za degradaciju. Zanimljivo je da fosforilacija pomoću BAK1 aktivira PUB12/13 nakon što FLS2 veže flagelin, demonstrirajući povratno slabljenje odgovora FLS2 i oslanjanje na višestruke PTM u regulaciji odbrane [86]. Aktivnost BAK1 kinaze je esencijalna u posredovanju njene interakcije sa PUB13 jer mutant koji je neaktivan BAK1 kinazom koji ima supstituciju K317M ne može više da komunicira sa PUB13 [87]. PUB13 takođe ubikvitinira LYSM KINAZA SLIKU RECEPTORA 5 (LYK5), ciljajući je na degradaciju kako bi regulisao odbranu izazvanu hitinom (Slika 1) [88]. Ub E3 ligaza PUB25/26 cilja na neaktiviranu imuno kinazu BIK1 za degradaciju radi modulacije nivoa BIK1 (slika 1) [89]. PUB4 stupa u interakciju sa CERK1 i pozitivan je regulator imunih odgovora izazvanih hitinom [90].

Prekomjerna akumulacija NLR često dovodi do autoimunih odgovora. Da bi se ovo spriječilo, NLR proteini SUPRESOR OF NPR1-1, KONSTITUTIVE 1 (SNC1) i RESISTANT NA P. SYRINGAE 2 (RPS2) su ciljani na ubikvitinaciju i degradaciju od strane SKP1- CULLIN{{6} }F-box (SCF) kompleks (Cheng et al., 2011). Nasuprot tome, Arabidopsis Ub E3 ligaze RPM1 INTERACTING PROTEIN 2 i 3 (RIN2 i RIN3) pozitivno doprinose NLR OTPORNOSTI NA P. SYRINGAE PV. MACULICOLA 1 (RPM1)- i RPS{18}}zavisni HR (Kawasaki et al., 2005).

Ubikvitinacija je neophodna kako bi se omogućila aktivacija JA odgovora protiv nekrotrofa. Proteini JASMONATE-ZIM-DOMAIN PROTEIN 1 (JAZ) funkcionišu kao transkripcijski represori gena koji reaguju na JA [91]. Bioaktivni JA (jasmonat-izoleucin (JA-Ile) konjugat) promovira fizičku interakciju između kompleksa ubikvitin ligaze SCFCOI1 i JAZ proteina da izazove proteazomalnu degradaciju JAZ posredovanu ubikvitinom, kako bi se omogućila ekspresija gena zavisnih od JA [91-93].

Iako Ub E3 u velikoj mjeri određuju specifičnost supstrata [94–97], deubikvitinirajući enzimi (DUB) također imaju specifičnost supstrata [80,98]. Ovo je važno za imunitet; na primjer, otkriveno je da deubikvitinirajući enzimi Arabidopsis UBIQUITIN-SPECIFIC PROTEASE 12 i 13 (AtUBP12 i AtUBP13) negativno reguliraju imunitet biljaka [99]. Međutim, UBP12 i UBP13 su pozitivni regulatori JA odgovora i mogu djelovati stabilizacijom MYC, što rezultira supresijom JA puta imuniteta posredovanog SA [100].

3.3. SUMOylation

Osim ubikvitina, polipeptidi slični ubikvitinu su kovalentno konjugirani sa supstratima kod eukariota preko supstrata lizina (slika 2). Mali modifikator sličan ubikvitinu (SUMO) je još jedan važan PTM uključen u reakcije na biotički stres biljaka. Globalne promjene SUMOylome-a javljaju se pri napadima patogena [101–104]. Na primjer, autoimuni supresor rps4-rld1-4 (srfr1-4) ​​mutanata pokazao je veliko povećanje bazalnih SUMO1/2-konjugata, kao i biljke divljeg tipa izazvan sa Pseudomonas syringae pv. paradajz (Pst)DC3000, u poređenju sa netretiranim biljkama WT.

Sveukupno, otkriveno je da srfr1-4 mutant i PstDC3000 zaražene biljke WT dijele 57,9 posto zajedničkih SUMO supstrata koji se sastoje od širokih meta. Autoimune biljke srfr1-4 imaju povećane nivoe SA i konstitutivnu regulaciju PR1/PR2 gena; uočen je i zastoj u rastu [105]. Značajno je da gubitak EDS1 vraća SUMOylome u srfr1-4 na nivoe divljeg tipa (Col-0) i ukida retardaciju rasta i autoimunost [106]. Stoga su SUMOilacija i deSUMOilacija ključne za regulaciju odbrane.

Različiti SUMO paralozi imaju različite funkcije, a različiti paralozi postoje u različitim vrstama [107]. Kod Arabidopsis, SUMO1/2 inhibira SA-posredovane odbrambene odgovore u odsustvu patogena [108]. Suprotno tome, SUMO3 promovira obrambene odgovore biljaka nizvodno od SA [109]. SUMO takođe formira nekovalentne interakcije sa proteinima preko SUMO interakcijskih motiva (SIM) koji olakšavaju interakcije između SUMO-konjugovanih proteina i proteinskih partnera koji sadrže SIM mesto(a) za formiranje proteinskih kompleksa [107,110].

Promjena specifičnog obrasca PTM-a mijenja odbrambene odgovore biljke i sposobnost da se odupre bolesti. Na primjer, PREVEROM TOLERANTNA NA SOL1 i -2 (OTS1/2) SUMO proteazu dvostruki mutant ots1ots2 akumulira povećane nivoe SUMO konjugata, više nivoe SA i povećanu otpornost na PstDC3000, u poređenju sa WT biljkama. Utvrđeno je da SUMO proteaze OTS1 i OTS2 ograničavaju biosintezu SA supresijom ekspresije ISOCHORISMATE SYNTHASE1 (ICS1), a kao mehanizam povratne sprege, SA promovira degradaciju OTS1 i OTS2 radi modulacije SA signalizacije [101]. Slično, mutanti SUMO proteaze rano u kratkim danima 4 (esd4) imaju visoku akumulaciju SA [111]. Oni pokazuju da SUMO enzimska mašinerija reguliše odbranu posredovanu SA kako bi se odgovor na odgovarajući način prilagodio [101,109].

Još jedan aspekt SUMO mašinerije koja utiče na odbranu prikazan je mutantom sa gubitkom funkcije sap i miz 1 (siz1) SUMO E3 ligaze Arabidopsis. siz1 biljke imaju smanjene SUMO konjugate, patuljastost, autoimuni fenotip, karakteriziran povećanom akumulacijom SA, povećanom ekspresijom gena EDS1, PAD4 i PATOGENEZA POVEZANIH(PR) i većom otpornošću na bakteriju PstDC3000, u usporedbi s WT biljkama [112 ]. Autoimuni fenotip siz1 zavisi od TNL imunog receptora SNC1 [113,114]. TOPLESS-RELATED 1 (TPR1), SNC1-protein u interakciji, fizički stupa u interakciju sa SIZ1 i SUMOilira ga SIZ1 [115]. Mutacija K282 i K721, kritična mesta vezivanja SUMOilacije za TOPLESS-RELATED 1 (TPR1) sugeriše da TPR1 SUMOilacija potiskuje imunitet kroz potiskivanje njegove transkripcione ko-represorske aktivnosti.

To dovodi do ekspresije negativnih regulatora imuniteta DEFENSE NO DEATH 1 (DND1) i DND2. Osim toga, SNC1 je SUMOiliran, što možda dalje djeluje na suzbijanje imuniteta u odsustvu patogena [113,115]. SNC1 transkripcija je kontrolisana SUMOilacijom, kao što je SNC1 SUMOiliran na nivou proteina [113], a nivo proteina SNC1 je kontrolisan razgradnjom posredovanom ubikvitinom, kao što je pomenuto u prethodnom odeljku [116]. Važno je kontrolirati aktivnost SNC1 kako bi se izbjegle pretjerane imunološke reakcije, koje bi bile štetne za rast biljaka i uzrokovale oštećenja [117].

Poremećaj PTM enzimske mašinerije naglašava činjenicu da promjene u vezivanju/uklanjanju PTM-a imaju duboke efekte na fiziologiju biljaka, uključujući regulaciju odbrane.

Zanimljivo je da povećana SUMOilacija kod ots1ots2 mutanata ili smanjena SUMOilacija siz1 mutanta imaju povećane nivoe SA što ukazuje na složenost PTM regulacije, i da je regulacija SUMOilacije ključna za modulaciju ispravnog nivoa imuniteta. Ova stroga kontrola SUMO-a je dodatno naglašena jer je prekomjerna ekspresija tri gena Arabidopsis SUMO (SUM) rezultirala aktivacijom odbrambenih odgovora zavisnih od SA, kao i sum1sum2 knockdown mutant [109].

Pored SA signalizacije, SUMO ima ulogu u modulaciji JA signalizacije. SUMO-konjugiran sa JAZ inhibira JA receptor CORONATINE INSENSITIVE1 (COI1) kroz COI1 SIM mjesto [118]. Djelovanje ili degradacija SUMO proteaze OTS1/2 određuje da li je JA odgovor aktiviran ili inhibiran, ovisno o vrsti patogena [118]. Značajno je da SUMOilacija stupa u interakciju s drugim PTM-ovima, uključujući fosforilaciju i ubikvitinaciju, što će biti istaknuto u sljedećem odjeljku.

3.4. Interakcija između PTM-ova

Većina aspekata imuniteta regulirana je višestrukim PTM-ovima, koji često međusobno djeluju. PTM-ovi prolaze kroz preslušavanje i imaju međusobnu zavisnost. Jedan istaknuti primjer je FLS2 signalizacija čija regulacija zahtijeva fosforilaciju, SUMOilaciju i ubikvitinaciju [48,86,119]. U neinficiranim uslovima, FLS2 se povezuje sa BIK1 [21,120]. Kada se otkrije flg22, FLS2 regrutuje coreceptor protein kinazu BAK1 koja omogućava BIK1 i BAK1 da se podvrgnu recipročnoj fosforilaciji [55,121,122].

Dodatno, prema percepciji flagelina, FLS2 je SUMOiliran na lizinu1120, pokrećući oslobađanje BIK1, koji je od suštinskog značaja za FLS2-posredovani odbrambeni odgovor. DeSUMOilirajuća izopeptidaza 3A (Desi3A) deSUMOilira FLS2 da negativno reguliše imunološku signalizaciju u odsustvu flagelina. Ipak, kada se otkrije flagelin, Desi3A se razgrađuje kako bi povećao nivoe SUMOiliranog FLS2 i povećao imunološku signalizaciju (Slika 1) [48]. Osim toga, otkriveno je da monoubikvitinacija BIK1 doprinosi ligandom induciranoj disocijaciji BIK1 od receptora FLS2 [123]. Kao što je ranije pomenuto, PUB12/13 pokreće degradaciju FLS2 preko ubikvitin-proteasomskog sistema.

Posttranslaciona modifikacija enzima PTM mašina se takođe dešava u odbrani; na primjer, PROTEIN KINAZA 28 OVISNA KALCIJUMU (CPK28) fosforilazi i aktivira Ub E3 ligaze PUB25 i 26 da bi poboljšala ubikvitinaciju i proteazomsku degradaciju neaktiviranog BIK1 (Slika 1) [89,124]. Čini se da su interakcije između Ub E3 ligaza i kinaznih domena uobičajene u regulaciji RLK [125].

NEMA EKSPRESA ILI GENA KOJI SE ODNOSE NA PATOGENU (NPR1) je ključni faktor transkripcije u odbrani jer reguliše ekspresiju PR gena koji doprinose uspostavljanju sistemske stečene rezistencije (SAR) [126]. Opet, fosforilacija, SUMOilacija i ubikvitinacija su od suštinskog značaja za njihovu funkciju za odgovarajuće odbrambene odgovore (Slika 1). SUMOilacija je u interakciji sa fosforilacijom kako bi kontrolisala funkcije NPR1: fosforilacija Ser55 i Ser59 sprečava vezivanje NPR1 SUMO. SUMOilacijski status NPR1 mijenja njegovu interakciju s partnerima. Ne-SUMOilirani NPR1 stupa u interakciju sa WRKY70 kako bi potisnuo ekspresiju PR1. U slučaju izazivanja patogena, akumulacija SA promoviše defosforilaciju Ser55/Ser59, omogućavajući NPR1 da postane SUMOiliran, provocirajući NPR1 da stupi u interakciju sa TGA3 kako bi promovirao ekspresiju gena PR1 [127,128].

Nadalje, interakcija NPR1 sa SUMO3 potrebna je za fosforilaciju Ser11/Ser15, što uzrokuje ubikvitinaciju i degradaciju kompleksa NPR3-CULLIN3 E3 za specifičnu i prolaznu imunološku indukciju [129]. Degradacija NPR1 je važna za cijeli raspon aktivacije odbrambenih gena i za aktivaciju ETI i programirane ćelijske smrti na mjestu infekcije, gdje su nivoi SA visoki [126], dok su u susjednim ćelijama nivoi SA srednji da bi omogućili funkciju NPR1 [130] . SA-inducirani PR geni kodiraju nekoliko antimikrobnih metabolita uključujući endoglukanaze, hitinaze, defenzine, itd. [131]. Ovaj citirani primjer pokazuje da mjesta fosforilacije imaju suprotne funkcije i da specifični PTM obrasci daju rezultate u smislu odbrambenog odgovora. Višestruki PTM sekvencijalni proces pruža precizniju kontrolu kako bi se omogućila degradacija posredovana ubikvitinom u pravo vrijeme kada patogeni nisu otkriveni [132]. NPR1 ima funkcionalno očuvanu ulogu u usjevima; stoga je potencijalno SUMO uključen u regulaciju ortologa sličnih Arabidopsisu, ali to treba istražiti [126,133].

Postoji značajno unakrsno preslušavanje između SUMOilacije i ubikvitinacije, posebno kao dio negativne povratne sprege koja izaziva degradaciju proteina; na primjer, SIZ1 može SUMOilirati KONSTITUTIVNI FOTOMORFOGENI 1 (COP1), koji pojačava trans-ubikvitinacijsku aktivnost COP1, multi-podjedinične E3 ligaze koja pozitivno reguliše otpornost na bolesti protiv virusa [134,135]. Nakon SUMOilacije, COP1 ubikvitinira SIZ1 uzrokujući njegovu degradaciju; stoga, ubikvitinacija reguliše ćelijsku SUMOilaciju regulacijom SIZ1, kao i SIZ1 promovišući aktivnost ubikvitinacije COP1 [136].

Nekoliko SUMO ciljeva se preklapaju sa ciljevima fosforilacije MAPK u regulaciji imuniteta [137]. Proteomika je identifikovala nekoliko WRKY kao mete SUMO1, kao i fosforilaciju MAPK [104]. Da bi se to podržalo, pokazalo se da je kao odgovor na infekciju Botrytis cinerea i liječenje flg22 elicitorom, WRKY33 SUMOiliran, što omogućava fosforilaciju WRKY33 putem MPK3/6 za aktivaciju transkripcionog faktora što dovodi do povećane biosinteze kamaleksina (Slika 1) [138].

Jasno je da su PTM-ovi vitalni za obrambene odgovore biljaka i otpornost na bolesti kod Arabidopsis, a nakon ovog nalaza, PTM-ovi su ilustrovani kao slično važni u vrstama usjeva i predstavljaju odličan resurs koji se može iskoristiti za poboljšanje usjeva. Opšti mehanizmi imuniteta su slični kod Arabidopsis i vrsta usjeva, zajedno sa klasama proteina; međutim, precizni mehanizmi, interakcije, proteinski kompleksi i PTM su specifični za vrstu i sortu [17]. Jedna studija je otkrila da je 1619 fosfozita u Arabidopsisu tačno usklađeno s fosfozitima bilo koje druge biljne vrste, što ukazuje na neke sličnosti u fosforilaciji proteina u Arabidopsisu i usjevima [139]. U nekoliko slučajeva, ortolozi odbrambenih proteina pokazuju očuvanu ulogu među različitim biljnim vrstama; na primjer, PRR, MAPK kaskade, WRKY TF, NPR1, ubikvitin ligaze i proteazomska degradacija posredovana ubikvitinacijom moduliraju akumulaciju odbrambenih proteina [80,81,126,133,140–144].

Kod riže, razlike u otpornosti na bolesti mogu ovisiti o PTM obrascu, kao što je sugerirano nalazom da se broj i distribucija motiva fosforilacije razlikuju između rezistentnih i osjetljivih alela Pi54 [145,146]. Nalazi PTM preslušavanja u usjevima dokazuju da PRR posredovana signalizacija u riži ovisi o specifičnim obrascima fosforilacije i kontroli posredovanoj ubikvitinom. Ostatak XA21 Thr705 je neophodan za autofosforilaciju pirinča PRR XA21. Thr705 je također neophodan za interakciju između XA21 i rižinog XA21 vezujućeg proteina 3 (XB3) ubikvitin ligaze koja je potrebna za punu XA{13}}posredovanu rezistenciju [147,148]. Ovo je pokazano upotrebom varijanti fosfo-nul mutanta, XA21T705A i XA21T705E, koje obje nisu u stanju transducirati XA{21}posredovani imuni odgovor ili stupiti u interakciju sa XA21 vezujućim proteinima [147]. Nakon percepcije PAMP-a od strane XA21 (koji prepoznaje sulfonirane peptide izvedene iz Xanthomonas oryzae pv oryzae, [149]), XA21 specifično trans-fosforilira XB3, za koji je pokazano da se auto-ubikvitinira in vitro, što može dovesti do aktivacije kaskade MAPK8,1 [0] . Uloga XB3 može biti očuvana između vrsta u regulaciji ćelijske smrti [151].

Pored fosforilacije i ubikvitinacije, jasno specifična regulacija SUMOilacije je od suštinskog značaja za imunitet useva budući da patogeni efektori izazivaju patogenost deSUMOilacijom [140]. Sljedeći odjeljak će detaljnije opisati kako patogeni otimaju PTM sisteme u svoju korist, tj. da izbjegnu odbranu domaćina i dobiju hranjive tvari za promoviranje proliferacije patogena.

For more information:1950477468nn@gmail.com