Proteíny s lyzínovým motívom (LysM): prepojená manipulácia s rastlinnou imunitou a hubami

Abstrakt:

Proteíny s lyzínovým motívom (LysM) sú proteínové moduly viažuce sacharidy, ktoré hrajú rozhodujúcu úlohu v interakciách hostiteľ-patogén. Rastlinné proteíny LysM väčšinou fungujú ako receptory na rozpoznávanie vzorov (PRR), ktoré snímajú chitín, aby vyvolali imunitu rastliny. Na rozdiel od toho hubový LysM blokuje snímanie alebo signalizáciu chitínu, aby inhiboval chitínom indukovanú imunitu hostiteľa. V tomto prehľade poskytujeme historické pohľady na rastlinné a hubové LysM, aby sme demonštrovali, ako sa tieto proteíny podieľajú na regulácii imunitnej odpovede rastlín mikróbmi. Rastliny využívajú proteíny LysM na rozpoznanie hubových chitínov, ktoré sú potom degradované rastlinnými chitinázami na vyvolanie imunity. Na rozdiel od toho hubové patogény získavajú proteíny LysM na ochranu ich bunkovej steny pred hydrolýzou rastlinnou chitinázou, aby sa zabránilo aktivácii imunity vyvolanej chitínom. Odhalenie týchto koevolučných pretekov v zbrojení, v ktorých LysM hrá kľúčovú úlohu pri manipulácii, uľahčuje lepšie pochopenie mechanizmov, ktorými sa riadi interakcie medzi rastlinami a hubami.

Kľúčové slová:

proteín lyzínového motívu (LysM); interakcie rastlina-huba; chitín; manipulácia s imunitou.

Lyzínové motívy (GRAS) sú triedou konzervovaných proteínových sekvencií, ktoré existujú v rôznych organizmoch. Podieľajú sa na regulácii rastu a vývoja a adaptácie na stres u rastlín a húb a nachádzajú sa aj u cicavcov. Nedávne štúdie ukázali, že proteíny GRAS sa podieľajú aj na regulácii imunitných reakcií u rastlín a cicavcov, čím ovplyvňujú imunitu. V rastlinách sa proteíny GRAS podieľajú na sprostredkovaní obranných reakcií rastlín na patogény. Napríklad v Arabidopsis thaliana sa proteíny GRAS SHR a SCR podieľajú na rezistencii koreňov rastlín voči patogénom a tieto proteíny môžu indukovať apoptózu v koreňoch rastlín a podporovať smrť patogénnych baktérií. Okrem toho proteíny GRAS tiež zvyšujú odolnosť rastlín voči patogénom tým, že sa podieľajú na regulácii génovej expresie pri aktivácii imunity rastlín.

U cicavcov, hoci existuje len málo štúdií o imunitnej funkcii proteínov GRAS, niektoré štúdie ukázali, že sa podieľajú na imunitnej regulácii. Napríklad GRAS proteín SPRY2 môže inhibovať proliferáciu a aktiváciu T buniek a zvýšiť počet regulačných T buniek, čím reguluje rovnováhu imunitnej odpovede. Na druhej strane, GRAS proteín OSL1 sa môže tiež podieľať na regulácii imunitnej odpovede cicavcov a môže inhibovať aktiváciu a proliferáciu T buniek.

Preto je možné vidieť, že proteíny GRAS sa podieľajú na regulácii imunitných reakcií u rastlín a cicavcov, čím ovplyvňujú imunitu. Budúci výskum potrebuje preskúmať špecifickú úlohu a mechanizmus GRAS proteínov v imunitnej regulácii, aby poskytol teoretický základ pre vývoj nových imunomodulátorov. To ukazuje dôležitosť imunity, takže musíme zlepšiť imunitu. Cistanche môže zvýšiť imunitu. Mäsový popol obsahuje rôzne biologicky aktívne zložky, ako sú polysacharidy, dve huby, Huang Li atď. Stimuluje rôzne bunky imunitného systému a zvyšuje ich imunitnú aktivitu.

Click cistanche tubulosa extraktový prášok

1. Úvod

Keďže sú rastliny nepohyblivé, čelia počas svojho života viacerým výzvam vrátane problémov spôsobených patogénmi. Rastliny nemajú cirkulujúci imunitný systém ako zvieratá, ani nevytvárajú protilátky na boj proti patogénom [1]. Rastliny tak počas svojho vývoja navrhli jedinečné stratégie na obranu proti inváziám patogénov. Rastliny si vyvinuli imunitné receptory ako prostriedok na detekciu a následné odpudzovanie patogénov [2]. Imunitné receptory v rastlinách možno rozdeliť na dva hlavné typy, receptory rozpoznávajúce vzory (PRR) a nukleotid-viažuce receptory bohaté na leucín (NLR) [3]. PRR sa používajú ako primárna obrana proti patogénom.

Vo všeobecnosti sú PRR lokalizované na bunkovej membráne a patria do rodiny receptorových kináz, ktoré vo všeobecnosti zahŕňajú extracelulárnu doménu viažucu ligand, transmembránovú doménu a intracelulárnu kinázovú doménu [4]. Extracelulárne domény PRR dokážu špecificky rozpoznať molekulárne asociované molekulárne vzory (MAMP), ako je bakteriálny lipopolysacharid (LPS), flagelín, EF-Tu (elongačný faktor termo nestabilný), peptidoglykány, hubový chitín a -glukány a aktivujú sa ergosteroly. intracelulárne kinázové domény cez transmembránové domény, ktoré následne zosilňujú downstream imunitné signály [5–7]. Aby prelomili túto prvú úroveň bariér imunitného systému rastliny, patogény vylučujú malé molekuly nazývané efektory do rastlinných buniek. Tieto efektory narúšajú signalizáciu mitogénom aktivovanej proteínkinázy (MAPK) a jej downstream prenos inhibíciou translácie a aktivity PRR a ich komplexnej signalizácie. Okrem toho môže tiež ovplyvniť imunitu rastlín zásahom do niekoľkých bunkových procesov, ako je produkcia ROS, transport vezikúl, ukladanie kalusu a posilnenie bunkovej steny [5,7].

Doména LysM zahŕňa proteíny, ktoré priamo hrajú úlohu buď v PRR regulujúcich imunitu v rastlinách alebo ako efektory v patogénnych hubách, ktoré potláčajú imunitu rastlín [8]. Doména LysM je všeobecný modul viažuci peptidoglykán, ktorý má sekundárnu štruktúru s dvoma špirálami naskladanými na rovnakej strane antiparalelného listu. Vo všeobecnosti modul LysM obsahuje asi 50 aminokyselín a viaže sa na peptidoglykány, chitín a ich deriváty [9]. Doména LysM bola pôvodne objavená v antimikrobiálnom enzýme lyzozýme bakteriofága [8] a rastúci počet štúdií zistil, že proteíny domény LysM sú široko distribuované v eukaryotoch a prokaryotoch [10,11].

Ako funkčná doména, ktorá pomáha vyhnúť sa imunite hostiteľa, funkcia proteínov domény LysM sa opiera o väzbové vlastnosti domény LysM k fungálnemu chitínovému polysacharidu, čo je nerozpustný komplexný sacharid v bunkovej stene húb, ktorý je vo všeobecnosti degradovaný rastlinnými chitinázami. 12]. Bunková stena hubových patogénov je prvým bodom kontaktu s hostiteľskou rastlinou a hlavnou zložkou bunkovej steny huby je chitín [12]. Pre rastliny pôsobí hubový chitín ako MAMP, ktorý indukuje imunitu rastlín väzbou na príbuzné PRR v rastlinách. Na rozdiel od toho, aby sa vyhli obrannej reakcii hostiteľa, efektory obsahujúce doménu LysM sú vylučované hubovými patogénmi na ochranu ich bunkových stien. Chitín ako základná zložka bunkovej steny húb pôsobí ako dôležitá molekula pri manipulácii s imunitou hostiteľa sprostredkovanou proteínmi LysM. Táto intermolekulárna interakcia podčiarkuje výsledky jemne kontrolovaných procesov hostiteľ-patogén, ktoré sa stali základom pre zlepšenie odolnosti plodín voči chorobám [13].

V tomto prehľade teda poskytujeme komplexné hodnotenie biologických charakteristík proteínov LysM z rastlín a húb, mechanizmov, ktorými dochádza k manipulácii s imunitou hostiteľa, a ich interaktívnych úloh medzi rastlinami a hubami, aby sme uľahčili pochopenie mechanizmu LysM. -sprostredkovaná imunita a jej význam pre poľnohospodárstvo.

2. LysM sprostredkováva chitínovú signalizáciu v rastlinách

LysM existuje vo forme receptorových kináz (LYK) obsahujúcich LysM alebo nekinázových LysM [14]. LYK sú výlučne prítomné v rastlinách a podieľajú sa na regulácii imunity rastlín [14]. Rastlinné proteíny LysM sú veľmi rôznorodé, s najmenej šiestimi rôznymi typmi na rozdiel od nekinázových typov, čo naznačuje, že proteíny LysM sa vyskytujú v rade komplexných štrukturálnych domén [14,15]. Avšak biologická funkcia nebola priradená väčšine nekinázových génov LysM.

2.1. LysM v Arabidopsis a ryži

Rozpoznanie molekulových vzorov spojených s patogénom (PAMP) pomocou PRR je prvým krokom v obrane rastlín, PAMP sú konzervované molekuly elicitoru, ako je hubový chitín a chitooligosacharidy, bakteriálny peptidoglykán a dozrievanie a transport PRR je dôležitý biologický proces. Chitín elicitorová receptorová kináza 1 (CERK1) je klasickým členom LysM, ktorý sa nachádza v ryži a Arabidopsis [16,17]. Funguje ako PRR na membránach rastlinných buniek, aby rozpoznal niektoré konzervatívne molekulárne vzorce pochádzajúce z patogénnych húb a vyvolal imunitnú odpoveď hostiteľa (obrázok 1). CERK1, ktorý obsahuje tri LysM domény, hrá kľúčovú úlohu pri vnímaní chitínových oligosacharidových induktorov a transdukcii N-acetylglukozamínu. Vykazuje vyššiu afinitu k chitín oligosacharidu s dlhšími zvyškami. Imunitné odpovede indukované hubovým MAMP chitínom zahŕňajú aktiváciu MAPK, produkciu reaktívnych foriem kyslíka (ROS) a expresiu obranných génov [16,18–20].

Ryžový chitínový receptor OsCERK1 dozrieva v endoplazmatickom retikule, odkiaľ je transportovaný do ektoplazmatického retikula cez Golgiho aparát. Počas tohto procesu môžu stresom indukovaný proteín (Hop/Sti1) a proteín tepelného šoku 90 (Hsp90) zostaviť jednu alebo viac rastlinne špecifickej GTPázy Rho typu OsRac1, člena Rho rodiny guanozíntrifosfátáz (GTPázy), ktoré tvoria komplex endoplazmatické retikulum a následný transport OsCERK1 z endoplazmatického retikula do endoplazmatického retikula reguluje dozrievanie OsCERK1. Proces transportu sa opiera o reguláciu malého proteínu súvisiaceho so sekréciou GTPázy a proteínu 1 súvisiaceho s ras (GTPáza Sar1) [21].

Ako malý guanínový nukleotidový regulačný (G) proteín je OsRac1 zapojený do receptorového komplexu obsahujúceho OsCERK1-, ktorý reguluje imunitu po tom, čo bunky ryže vnímajú hubový chitín [21,22]. Člen receptorovej cytoplazmatickej kinázy (RLCK), vrátane pravdepodobnej serínovej/treonínovej proteínkinázy podobnej 27 (PBL27), ktorá je downstream zložkou CERK1, hrá dôležitú úlohu pri snímaní chitínu a downstream signalizácii, čo nakoniec prispieva k modulácii chitínom indukovanej imunity u Arabidopsis [23]. Po rozpoznaní chitínu CERK1 je PBL27 fosforylovaný CERK1. Fosforylovaný PBL27 sa následne podieľa na aktivácii MAPK [23]. Podobne cytoplazmatická kináza podobná receptoru v ryži OsRLCK185 môže byť tiež fosforylovaná chitínom aktivovaným OsCERK1 a vyvolať reakcie MAPK [24,25]. OsRLCK185 tiež fosforyluje cytoplazmatický feritín OsDRE2a, ryžové homológy kvasinkového proteínu Dre2, aby moduloval chitínom indukované vzplanutie ROS [26]. Ďalší členovia RLCK VII, vrátane OsRLCK57, OsRLCK107, OsRLCK118 a OsRLCK176, sú tiež zapojení do niekoľkých chitínových signálnych dráh [27–29].

Okrem toho bolo v Arabidopsis identifikovaných niekoľko ďalších následných komponentov zapojených do signalizácie sprostredkovanej CERK{0}}. Rastlinný U-box proteín 4 (PUB4) je ubikvitín ligáza, ktorá interaguje s CERK1. Je to pozitívny regulátor chitínovej signalizácie prostredníctvom svojej úlohy pri produkcii ROS a ukladaní kalózy pri vnímaní chitínového oligosacharidu [30]. Členovia cytoplazmatickej kinázy VII podobné receptoru Arabidopsis vrátane RLCK VII-4, RLCK VII-5, RLCK VII-7 a RLCK VII-8 fungujú po prúde od PRR zapojených do bičíka a chitínovej signalizácie, prispievajú k ukladaniu kalózy a tvorbe ROS. Špecificky sa ukázalo, že RLCK VII-4 je dôležitý pre chitínovú signalizáciu prostredníctvom svojej úlohy pri aktivácii MAPK kaskády pri vnímaní chitínu, čím sa spája PRR so signalizáciou MAPK [31]. Celkovo tieto výsledky naznačujú, že signalizačný modul CERK1–RLCK hrá konzervovanú úlohu pri produkcii ROS v Arabidopsis a ryži počas imunitnej odpovede vyvolanej chitínom [21–31].

Je zaujímavé, že sa ukázalo, že chitínový receptor CERK1 sa viaže priamo na chitín, pričom všetky tri extracelulárne domény LysM sú potrebné na väzbu chitínu, ale výraznejšie bez akýchkoľvek iných interagujúcich proteínov, čo poskytuje dôkaz, že CERK1 je hlavným proteínom viažucim chitín v rastlinách [ 32]. Konzervovaná juxtamembránová (JM) paramembránová doména reguluje kinázovú aktivitu CERK1 v Arabidopsis. Okrem toho hrá paramembránová doména JM tiež funkčne zachovanú úlohu pri aktivácii signálu snímania chitínu pri Arabidopsis [33]. Napokon, dimerizácia chitínom indukovaného CERK1 je kľúčovým biologickým procesom, ktorý je nevyhnutný pre transdukciu imunitného signálu indukovanú chitínom [34]. Napríklad homodimerizácia CERK1 indukovaná ligandom je potrebná pre molekulárne vzorce vnímania ligandu, aktiváciu receptora a transdukciu imunitnej signalizácie [34,35].

Fosforylácia proteínov je tiež kľúčovým regulačným krokom v signalizácii LysM rastlín [23]. Po prvé, keďže CERK1 je hlavný proteín viažuci chitín, ktorý sa priamo podieľa na väzbe chitínu prostredníctvom LysM, jeho vnímanie chitínového signálu a prenos závisia od posttranslačných modifikácií a kinázovej aktivity [32]. Je známe, že CERK1 fosforyluje receptorové cytoplazmatické kinázy PBL27 v A. thaliana [23,36]. Podobne v ryži je výmenný faktor guanínového nukleotidu za OsRac1 OsRacGEF1 fosforylovaný cytoplazmatickou kinázou OsCERK1 [22]. CERK1 tiež interaguje s LYK5, aby snímal chitínový oligosacharid a aktivoval downstream zložky chitínovej signalizačnej kaskády; následne sa LYK5 oddelí od CERK1, vstúpi do vezikúl a podlieha endocytóze fosforyláciou s CERK1 [37]. Po snímaní chitínu CERK1 získava CERK1-interagujúcu proteín fosfatázu 1 (CIPP1), predpovedanú Ser/Thr fosfatázu, aby defosforylovala Tyr428 a tlmila CERK1 signalizáciu [38].

Ďalšie RLK a RLP obsahujúce doménu LysM tiež existujú v ryži a Arabidopsis a podieľajú sa na chitínovej signalizácii. Napríklad proteíny viažuce excitón chitín (CEBiP) boli prvými objavenými rastlinnými LysM RLPs v ryži [39]. Analýza molekulárnej štruktúry OsCEBiP chitínovej rozpoznávacej domény ukázala, že kryštálové štruktúry voľnej ektodomény (ED) OsCEBiP (OsCEBiP-ECD) obsahujú tri tandemové LysM, po ktorých nasleduje nový štrukturálny záhyb domén bohatých na cysteín [40]. Štrukturálna analýza tiež ukázala, že väzba chitínu nemôže významne ovplyvniť konformáciu OsCEBiP, ale chitín v „kĺzavom režime“ spôsobuje agregáciu OsCEBiP, ktorá hrá kľúčovú úlohu pri vnímaní a transdukcii niekoľkých chitínových induktorov v ryžových bunkách [39–41].

Okrem toho OsLYP4 a OsLYP6, ako LysM-RLP, tiež vykazujú chitínovú afinitu, pravdepodobne ako malé chitínové receptory [42], z ktorých oba môžu tvoriť homo- a heterodiméry a interagovať s CEBiP, aby sa podieľali na signálnej transdukcii peptidoglykánu (PGN) a chitínu. [42,43]. OsCERK1 môže byť tiež použitý ako spojenie na väzbu s OsLYP4 a OsLYP6 [44]. Zatiaľ čo homológ OsCEBiP v Arabidopsis, doména glykozylfosfatidylinozitol-ukotvený proteín2 (LYM2) obsahujúca lyzínový motív, vykazuje podobnosť s ryžovým CEBiP, nezúčastňuje sa na signalizácii napriek vysokej afinite k väzbe s p-chitín oligosacharidom [44]. LYM2 sprostredkováva redukciu molekulárneho toku cez plazmodesmata v prítomnosti chitínového oligosacharidu na vyvolanie obranných reakcií proti hubovému patogénu Botrytis halal, ale LYM2 nie je potrebný pre CERK1-sprostredkované obranné reakcie vyvolané chitínom, čo naznačuje, že existujú aspoň dve nezávislé dráhy chitínom aktivovanej odpovede u Arabidopsis [44].

Okrem toho sa v Arabidopsis zistilo niekoľko ďalších homológov CEBiP, ktoré sa podieľajú na regulácii prenosu chitínového signálu a imunity rastlín, vrátane LysM RLK1-interagujúcej kinázy 1 (LIK1), LysM receptorovej kinázy 3 (LYK3), LysM receptorová kináza 4 (LYK4) a LysM receptorová kináza 5 (LYK5) [37,44–47]. Niekoľko chitínových oligomérov môže indukovať heterodimerizáciu AtLYK5 a homodimerizáciu AtCERK1, ale chitínom indukovaný heterodimér AtLYK5 – AtCERK1 je silnejší ako homodimér AtCERK1, pretože iba AtCERK1 obsahuje kinázovú doménu, o ktorej sa tiež ukázalo, že je zodpovedná za spustenie intracelulárnej chitínovej signalizácie [ 48].

Negatívne regulačné faktory tiež zohrávajú kľúčovú úlohu pri expresii základných a skorých patogénmi indukovaných obranných génov a pri ochrane rastu rastlín pred trvalým poškodením imunity vyvolaným chitínom [36]. Napríklad AtLYK3 a LIK1 negatívne regulujú chitínom indukovanú obranu rastlín a pôsobia ako zložky komplexu cytoplazmatickej kinázy PBL27. Rastlinný U-box proteín 12 (PUB12) negatívne reguluje chitínom indukovanú imunitu [36,45,47]. Chitínom aktivovaný AtCERK1 defosforyluje svoj 428 tyrozínový zvyšok náborom CIPP1, ktorý možno použiť ako mechanizmus negatívnej spätnej väzby na blokovanie transdukcie chitínového signálu [38]. Stále však nie je známe, ako rastliny vyvažujú tieto pozitívne a negatívne signálne režimy alebo či sa spoliehajú na iné signálne molekuly.

A napokon, imunitná odpoveď je komplexná a presná sieť, ktorá zahŕňa viacnásobné signalizačné krížové rozhovory počas interakcií rastlina-patogén a LysM nie sú výnimkou [46]. AtLYK3 sa podieľa na negatívnom cross-talk sprostredkovanom hormónom kyselina abscisová (ABA) s imunitnými odpoveďami rastlín [46]. LIK1 pozitívne reguluje signalizáciu hormónu kyselina jasmónová/etylén (JA/ET) a negatívne reguluje obranné reakcie rastlín vyvolané chitínom [47]. LysM doména EMBRYO SAC 1 (OsEMSA1A) je zodpovedná za vývoj a funkciu embryonálnych blastocyst [49]. CERK1 je potrebný ako odpoveď na arbuskulárnu mykoríznu (AM) symbiózu a stres z rastlinných solí [50–53]. Tieto výsledky naznačujú, že CERK1, okrem svojho zapojenia do imunitných reakcií ako RLK, tiež vykonáva dve alebo viac mechanicky nezávislých funkcií. Napríklad CERK1 môže hrať úlohu pri kontrole bunkovej smrti nezávisle od chitínu a nezávisí od jeho kinázovej aktivity [54].

Chitín oligosacharid -1, 4-N-acetylglukózamínové oligoméry (GlcNAc), ktoré slúžia ako jediná glykozidická štruktúra bunkovej steny húb, tiež fungujú ako MAMP v rastlinách, ale nerozvetvené -1,{ {4}}glukán polyfylytických oligosacharidov uhoriek môže tiež spôsobiť imunitu vyvolanú PAMP (PTI) sprostredkovanú receptorom CERK1 u Arabidopsis [55]. Arabidopsis CERK1 sprostredkúva imunitu rastlín ako odpoveď na rezistenciu nehostiteľa voči Fusarium oxysporum [56]. Nedávno sa predpokladalo, že OsCERK1 má ďalšiu úlohu pri spôsobovaní imunitnej reakcie indukovanej bakteriálnym lipopolysacharidom (LPS) u ryže [54]. Mutantné alely Arabidopsis cerk1–4 nedokázali akumulovať hydrolyzáty extracelulárnych proteínov, čo viedlo k zvýšeniu citlivosti alebo indukcii starnutia [54]. Keďže cerk1–4 rastliny vykazovali normálne chitínové reakcie, bunková smrť nesúvisela s kinázovou aktivitou AtCERK1 [54]. Úloha AtCERK1 v tolerancii soli u Arabidopsis bola tiež hlásená, AtCERK1 interaguje s proteínom vápnikového kanála ANNEXIN 1 (ANN1), ktorý je zodpovedný za tok vápnika indukovaný soľou [50].

2.2. LysM v iných rastlinách

Homológy CERK1 majú dôležité biologické funkcie aj v iných rastlinách, najmä pri manipuláciách s imunitou [57–59]. Proteíny obsahujúce LysM sú tiež funkčne diferencované v rôznych bunkových procesoch. Proteín 1 obsahujúci LysM v moruši (MmLYP1), homológ CEBiP, má inhibičný účinok na nerozpustný chitín a spolieha sa na proteíny 2 obsahujúce LysM (MmLYK2, homológ CERK1) počas infekcií askomycét [60]. V bavlne majú dve kinázy podobné receptoru LysM, Gh-LYK1 a Gh-LYK2, určitý vplyv na odolnosť bavlny voči vädnutiu Verticillium. Všetky tri domény LysM Gh-LYK1 a Gh-LYK2 sú potrebné pre ich schopnosť viazať chitín a vírusom indukované umlčanie génov (VIGS) Gh-LYK1 a Gh-LYK2 v rastlinách bavlny ohrozuje odolnosť voči Verticillium dahliae.

Gh-LYK2 a Gh-LYK1 však môžu prispievať k obrane bavlny rozdielne. Gh-LYK2, ale nie Gh-LYK1, je pseudokináza a ED Gh-LYK2 môže vyvolať vzplanutie ROS v rastlinách [58]. GhWAK7A v bavlne priamo interaguje s GhLYK5 a GhCERK1 a podporuje chitínom indukovanú dimerizáciu GhLYK5–GhCERK1, ktorá hrá zásadnú úlohu v reakcii indukovanej chitínom [61]. Okrem toho proteín 1 podobný receptoru typu LysM (LYP1), kináza podobná receptoru typu LysM (LYK7) a extracelulárny proteín LysM 3 (LysMe3) sú membránové receptory, ktoré rozpoznávajú chitínové signály, ktoré môžu aktivovať následné obranné procesy a zvýšiť odolnosť. až V. dahliae [62]. Na rozdiel od ryžového OsCERK1, LysM proteíny v paradajke predstavujú významnú funkčnú divergenciu [63]: v paradajke sa SlLYK10 a SlLYK12 podieľajú na regulácii AM symbiózy, SlLYK1 sa podieľa na imunitnej odpovedi indukovanej chitínom a SlLYK13 sa podieľa na bunkovej smrti [57 ,64]. Homológ AtCERK1 z jablka, MdCERK1, zlepšuje odolnosť voči Alternaria alternata [59]. Chitináza-A (PrChiA) z Pteris ryukyuensis má chitín-viažucu a antifungálnu aktivitu [65], zatiaľ čo chitináza-A z Equisetum arvense (EaChiA) nie [66]. Hlavným štrukturálnym rozdielom medzi PrChiA a EaChiA je počet domén LysM [66], ale neexistujú žiadne údaje, ktoré by naznačovali, že to súvisí s rozdielmi v antifungálnej aktivite. Okrem toho bola tiež identifikovaná prítomnosť proteínov LysM v jablkách, hrozne, zemiakoch a jabloniach a bolo dokázané, že sa podieľa na imunitných odpovediach vyvolaných chitínom [59,67–69]. LysM proteíny v hrachu, petúniách a lucerne sa podieľajú na symbióze AM rastlín [70–73].

3. LysM inhibuje chitínovú signalizáciu v hubách

Mnoho hubových patogénov kóduje exozomálne efektory obsahujúce rovnakú LysM doménu ako rastlinné chitínové receptory. Väčšina hubových patogénov inhibuje chitínom indukovanú imunitu rastlín blokovaním chitínového snímania alebo signalizácie [74–79]. Ecp6 v Cladosporium flavum, prvom objavenom efektore domény LysM, chelátuje chitín počas infekcie [74]. Chitínové oligosacharidy uvoľnené z bunkovej steny invázneho mycélia bunkovou lýzou alebo degradované rastlinnými chitinázami sa viažu na chitínové oligoméry, aby zabránili vnímaniu rastlín, čím blokujú rastlinnú imunitu spúšťanú chitínom [74,75]. Následne bola objavená séria fungálnych LysM efektorov zapojených do inhibície imunity rastlín.

Extracelulárne štrukturálne proteíny LysM Colletotrichum higginsianum ChELP1 a ChELP2 huby askomycét spôsobujúcej antraknózové ochorenie v rastlinách zohrávajú dvojitú úlohu pri prichytávaní, funkcii buniek a chitínom spúšťanej rastlinnej imunosupresii. ChELP1 a ChELP2 hrajú dôležitú úlohu pri udržiavaní virulencie húb a ich schopnosti prenikať do buniek Arabidopsis epidermis a celofánových membrán [79]. Fungalyzín metaloproteáza v kukuričnej antraknózovej hube Colletotrichum graminicola (Cgfl) obsahuje nielen dve LysM domény, ale aj zinkové metaloproteinázy konzervovanej domény HEXXH katalytického miesta a je široko konzervovaná v hubách. Po zamorení kukurice je Cgfl špecificky exprimovaný počas biotrofnej fázy a ukázalo sa, že huba využíva Cgfl-sprostredkované aj LysM proteínom sprostredkované stratégie na kontrolu chitínových signálov potlačením chitinázovej aktivity hostiteľa [80]. Podobne ryžová huba Magnaporthe oryzae sa nespolieha len na LysM proteín SLP1, ale aj na homológ proteínu pomocnej aktivity rodiny 9 (Aa9) MoAa91 (z M. oryzae), ktorý je potrebný na rozpoznávanie povrchu, ako aj na potlačenie chitínom indukovaného imunitné reakcie rastlín. MoAa91 je regulovaný signalizáciou G proteínu (RGS) a proteínmi podobnými RGS, ktoré sú potrebné na vývoj apresória, a tiež podlieha negatívnej regulácii transkripčným faktorom MoMsn2. Mutant MoAa91 vytvoril nezrelé adherentné bunky na umelo indukovanom rozhraní a mutanty s génovou deléciou významne znížili patogenitu.

Ďalšie štúdie ukázali, že MoAa91 je vylučovaný do exozomálneho priestoru, kde sa viaže s chitínom a chitínovými oligosacharidmi súťažou s imunitným receptorom ryže CEBiP, čo vedie k inhibícii imunitných reakcií rastlín vyvolaných chitínom [81]. Proteín ZtGT2 z pšeničného patogénu Zymoseptoria tritici má funkciu udržiavania vonkajšieho povrchu bunkovej steny húb, čím pomáha pri rozširovaní hýf na pevných povrchoch. Je rozšírený v hubách a jeho strata viedla k strate virulencie patogénu na povrchu hostiteľa v dôsledku handicapu v predlžovaní hýf. Mutácia v ortológu ZtGT2 v patogénnej hube Fusarium graminearum viedla ku konštitutívnej zvýšenej expresii niekoľkých transmembrán a vylučovaných proteínov, vrátane dôležitej LysM domény Zt3LysM, efektora virulencie viažucej chitín domény LysM. Aj keď adhézia k povrchom listov nebola ovplyvnená u príbuzných mutantov F. graminearum, závažné poškodenie rastu hýf u mutantov viedlo k podobnej strate patogenity v tejto taxonomicky nepríbuznej hube na klasoch pšenice [82].

Mycosphaerella graminicola spôsobujúca škvrnitosť pšenice Septoria tritici nesie efektory Mg1LysM a Mg3LysM, ktoré sú homológmi efektorového proteínu extracelulárneho proteínu 6 (Ecp6) z biotrofného plesňového patogénu Cladosporium fulvum. Predchádzajúca práca ukázala, že tieto plesňové efektory môžu viazať chitín, a teda chrániť hýfy húb pred chitinázami pochádzajúcimi z rastlín, pravdepodobne tým, že pomáhajú patogénu vyhnúť sa imunitnej odpovedi hostiteľa aktivovanej prostredníctvom chitínových receptorov CERK1 a CEBiP [76,77]. Štrukturálny proteín LysM z Magnaporthe grisea vylučujúci efektorový proteín, secernovaný proteín LysM 1 (SLP1) a efektor LysM Rhizoctonia solani (RsLysM) inhibujú imunitu spúšťanú chitínom väzbou chitínu, ale nemôžu chrániť hýfy pred hydrolýzou [76,77, 83]. Štúdia 18 predpokladaných proteínov LysM v Penicillium spp. zistili, že hladiny expresie PeLysM1, PeLysM2, PeLysM3 a PeLysM4 boli významne zvýšené počas infekcie patogénom, ale neovplyvnili virulenciu húb. Ukázalo sa tiež, že PeLysM3 reguluje klíčenie spór a rýchlosť rastu [84].

Avšak hubové LysM sa nie vždy podieľajú len na manipulácii s imunitou rastlín, čo má za následok škodlivé účinky na hostiteľa. Secernovaný efektor LysM identifikovaný z modelového druhu huby arbuskulárnej mykorízy (AM) Rhizophagus nepravidelnis (RiSLM) je jedným z najvyššie exprimovaných efektorových proteínov v intraradikáliovom mycéliu počas symbiózy s hostiteľom Medicago truncatula. In vitro väzbové experimenty ukázali, že RiSLM sa viaže na chitínové oligosacharidy na ochranu bunkových stien húb pred chitinázou. Okrem toho môže RiSLM účinne interferovať s imunitnou odpoveďou spúšťanou chitínom, aby rozvrátil imunitu spúšťanú chitínom počas symbiózy, čo poukazuje na spoločnú úlohu efektorov LysM v symbiotických aj patogénnych hubách v určitom bode evolúcie [85,{2} }]. Podobne aj prospešná huba Trichoderma viride využíva efektory ako Tal6, ktoré sekvestrujú GlcNAc oligoméry, čím interferujú s vnímaním N-acetylglukózamínu odvodeným od húb dozorným mechanizmom rastliny, čo vedie k ochrane hubových hýf pred chitinázami hostiteľa [87].

N-glykozylácia ako post-transkripčná modifikácia je typickým mechanizmom pre efektory, ktoré vo veľkej miere využívajú hubové patogény na moduláciu ich schopnosti vyhnúť sa imunite hostiteľa [88]. Alg3-sprostredkovaná N-glykozylácia Slp1 je potrebná pre jeho proteínovú stabilitu a chitínovú afinitu. N-glykozylácia pomocou Slp1 je potrebná na obídenie vrodenej imunity hostiteľa [88]. ChELP1 a ChELP2 sú tiež N-glykozylované [79]. Tieto štúdie naznačujú, že N-glykozylácia je nevyhnutná a je bežnou modifikáciou mykotických LysM efektorov na dosiahnutie ultra vysokej afinity k chitínu [88]. Rozsiahla identifikácia a porovnanie N-glykozylačných proteínov v rôznych štádiách biologického vývoja patogénnej huby Magnaporthe oryzae ukázala, že bolo identifikovaných 559 N-glykozylačných miest z 355 proteínov; väčšina z nich sa podieľa na rôznych procesoch biologického vývoja, ako sú mycéliá, konídie a prichytenie a diferenciácia buniek [89].

4. LysM Interlocks Manipulácia s imunitnými odpoveďami medzi rastlinami a patogénmi

Súčasný pohľad na indukovateľné obranné reakcie pri interakciách rastlina-patogén je dobre zachytený v takzvanom cikcakovom modeli. V tomto modeli je prvá indukovaná obrana aktivovaná PRR a PRR sú receptory bunkového povrchu, ktoré rozpoznávajú MAMP [90]. Táto obranná reakcia zahŕňa lokálne zosilnenie bunkovej steny, produkciu reaktívnych foriem kyslíka a produkciu a uvoľňovanie antimikrobiálnych zlúčenín, ktoré spoločne zabraňujú väčšine mikrobiálnych invázií [1,3,7,90]. Keď patogény úspešne prekonajú obranu hostiteľa pomocou sekretovaných efektorov, vytvorí sa efektorom spúšťaná citlivosť, ktorá je kľúčovým prvkom cikcakového modelu [1]. LysM proteíny, dôležité členy, ktoré sú prítomné v rastlinách aj hubách, by mali zohrávať dôležitú úlohu pri prepájaní modulácie imunity medzi rastlinami a patogénmi.

Počas interakcií huba-rastlina, keď huby prelomia bariéru prvej rastliny a zapoja sa do povrchu hostiteľa, rastlinné proteíny LysM fungujú ako PRR, aby rozpoznali chitín a vyvolali imunitu. Rastlina využíva sekrečnú chitinázu na hydrolýzu bunkovej steny húb, aby sa uvoľnil voľný oligochitín. Následne sú obranné signály prenášané následnou LysM cytoplazmatickou kinázou, čo spúšťa imunitnú odpoveď rastliny na potlačenie proliferácie húb. Naopak, huby vylučujú proteíny LysM na potlačenie imunity vyvolanej chitínom. Mikrobiálne LysM proteíny chránia bunkovú stenu húb pred hydrolýzou väzbou na vonkajší povrch alebo súperením s rastlinnými LysM receptormi o naviazanie chitínových fragmentov a v konečnom dôsledku prekonajú rastlinnú imunitu, aby sa uľahčila plesňová infekcia.

Proteíny LysM teda prepájajú imunitnú manipuláciu medzi rastlinami a patogénmi. Toto bolo dobre preukázané u Verticillium spp. V bavlne má niekoľko proteínov LysM určitý vplyv na odolnosť bavlny voči vädnutiu Verticillium, vrátane Gh-LYK1, Gh-LYK2 a GhLYK5 [58], prostredníctvom ich schopnosti viazať chitín. U V. dahliae účinok LysM alebo Vd2 prispieva k virulencii patogénu a viaže chitín na potlačenie chitínom indukovaných imunitných reakcií, čím chráni hýfy húb pred hydrolýzou hydrolytickými enzýmami rastliny [91]. Patogény využívajú nielen efektory LysM na blokovanie imunity rastlín prostredníctvom interakcie s chitínovým polymérom na ochranu mycélia, pretože lucerna Verticillium vylučuje aj proteín viažuci chitín (VnaChtBP) Verticillium nonalfalfae obsahujúci doménu motívu 18 viažuceho uhľohydráty (CBM18), ktorá interaguje s chitínový polymér [92]. Okrem toho nedávna štúdia o V. dahliae zistila, že delécia génu pre polysacharid deacetylázu (VdPDA1) vážne ovplyvnila patogenitu V. dahliae [93]. VdPDA1 má silnú aktivitu chitín oligomér deacetylázy na rozpustné chitín oligosacharidy v alkalickom prostredí. Ďalšie štúdie odhalili, že deacetylované chitínové oligosacharidy bránia rozpoznávaniu LysM receptorov, čo vedie k blokovaniu prenosu chitín-senzitívnych imunitných signálov v intracelulárnom prostredí, čo potláča imunitnú odpoveď hostiteľa počas hostiteľa-V. interakcia dahliae [93]. Preto patogénne huby môžu blokovať chitínovú signalizáciu (1) vylučovaním extracelulárnych telesných efektorov s vysokou afinitou k chitínovým oligomérom, (2) vylučovaním efektorov, ktoré súťažia s chitínom o väzbu s rastlinnými LysM receptorovými kinázami, (3) deacetyláciou chitínu, aby sa zabránilo imunitnej odpovedi.

5. Závery a perspektívy pre budúce štúdie

Koevolučné preteky v zbrojení medzi hubami a rastlinami vedú k obrannej odpovedi rastlín na hubový chitín prostredníctvom imunitnej manipulácie medzi rastlinami a patogénmi. Úspešné huby vyvinuli efektorové proteíny LysM, ktoré interferujú s imunitnými reakciami rastlín sprostredkovanými LysM, ktoré nakoniec vedú k náchylnosti rastlín. Rastliny si zase vyvinuli receptory LysM na stimuláciu obranných reakcií. Keď sa huby vyvinú tak, aby produkovali nové efektory LysM alebo interferovali s imunitou hostiteľa inými spôsobmi, predpokladá sa, že rastliny budú reagovať aj novými receptormi LysM, aby si udržali imunitu rastlín.

Ďaleko od pochopenia proteínov LysM v rastlinách a hubách, prioritné otázky, ktoré budú v blízkej budúcnosti riadiť výskum, zahŕňajú nasledovné: (1) súčasné chápanie plesňových efektorov LysM a ich inhibičných mechanizmov v signalizácii rastlinného chitínu si vyžaduje ďalší pokrok, vrátane nových úloha iných plesňových efektorov zapojených do prepájania modulácie imunity hostiteľom aj patogénom, alebo objavenie neznámych rastlinných LysM receptorov atď.; (2) identifikácia rôznych/spoločných charakteristík LysM proteínov rastlín a húb a ich evolučných vzťahov (to by uľahčilo pochopenie koevolúcie toho, ako LysM prepája imunitnú manipuláciu medzi rastlinami a patogénmi); (3) okrem funkcie imunitnej manipulácie počas interakcií rastlina-huba, aké sú ďalšie funkcie proteínov LysM, najmä v hubách (okrem členov zapojených do manipulácie imunity sú biologické funkcie niektorých ďalších členov proteínov LysM stále nejasné); a (4) fungálne LysM proteíny pôsobia ako efektory na ochranu bunkovej steny pred hydrolýzou rastlinnými chitinázami a manipulujú s imunitou počas interakcií rastlina-huba. Úloha proteínov LysM v AM symbióze však tiež potrebuje ďalšie skúmanie, aby sa uľahčilo použitie prospešných mikróbov pre zdravie rastlín a trvalo udržateľné dosiahnutie potravinovej bezpečnosti.

Príspevky autora:

Tému príspevku koncipovali X.-YY a X.-FD. S.-PH napísal pôvodný návrh. Na príprave a recenzii rukopisu sa podieľali J.-JL, J.-PL a WJ. ND a J.-YC poskytli pomoc pri úprave. Všetci autori si prečítali publikovanú verziu rukopisu a súhlasili s ňou.

Financovanie:

Táto práca bola podporená grantmi z Národného kľúčového výskumného a vývojového programu Číny (2018YFE0112500), Elitného programu pre mládež (Čínska akadémia poľnohospodárskych vied, CAAS) pre J.-YC, grantom z programu inovácií v oblasti poľnohospodárskej vedy a techniky pre X. -FD a grant Národnej nadácie pre prírodné vedy v Číne (32001845) pre WJ

Vyhlásenie inštitucionálnej revíznej rady:

Nepoužiteľné.

Vyhlásenie informovaného súhlasu:

Nepoužiteľné.

Vyhlásenie o dostupnosti údajov:

Nepoužiteľné.

Poďakovanie:

Vopred sa ospravedlňujeme všetkým vyšetrovateľom, ktorých výskum nebolo možné primerane citovať z dôvodu priestorových obmedzení. Špeciálne ďakujeme Krišnovi V. Subbaraovi (University of California, Davis) za ich užitočné návrhy.

Konflikt záujmov:

Autori nedeklarujú žiadny konflikt záujmov.

Referencie

1. Zipfel, C. Receptory na rozpoznávanie rastlinných vzorov. Trends Immunol. 2014, 35, 345–351. [CrossRef]

2. Nürnberger, T.; Kemmerling, B. Receptorové proteínkinázy – receptory rozpoznávajúce vzory v imunite rastlín. Trends Plant Sci. 2006, 11, 519-522. [CrossRef]

3. Lu, Y.; Tsuda, K. Intímna asociácia signalizácie sprostredkovanej PRR a NLR v imunite rastlín. Mol. Interakcia rastlinných mikróbov. 2021, 34, 3–14. [CrossRef]

4. Li, B.; Lu, D.; Shan, L. Ubikvitinácia receptorov rozpoznávania vzorov v rastlinnej vrodenej imunite. Mol. Plant Pathol. 2014, 15, 737–746. [CrossRef]

5. Chisholm, ST; Coaker, G.; Day, B.; Staskawicz, BJ Interakcie hostiteľ-mikrób: Formovanie vývoja imunitnej odpovede rastlín. Cell 2006, 124, 803-814. [CrossRef] [PubMed]

6. Yu, X.; Feng, B.; On, P.; Shan, L. Od chaosu k harmónii: Reakcie a signalizácia pri rozpoznávaní mikrobiálnych vzorov. Annu. Phytopathol. 2017, 55, 109–137. [CrossRef] [PubMed]

7. Newman, MA; Sundelin, T.; Nielsen, JT; Erbs, G. MAMP (mikrobe-asociovaný molekulárny vzor) spustil imunitu u rastlín. Predné. Plant Sci. 2013, 4, 139. [CrossRef] [PubMed]

8. Cui, H.; Tsuda, K.; Parker, J. Imunita spustená efektorom: Od vnímania patogénu k robustnej obrane. Annu. Rev. Plant Biol. 2015, 66, 487–511. [CrossRef]

9. Dubey, M.; Vélëz, H.; Broberg, M.; Jensen, DF; Karlsson, M. Clonostachys rosea LysM proteíny regulujú vývoj húb a prispievajú k ochrane hyf a vlastnostiam biokontroly. Predné. Microbiol. 2020, 11, 679. [CrossRef] [PubMed]

10. Buist, G.; Steen, A.; Kok, J.; Kuipers, OP LysM, široko distribuovaný proteínový motív na väzbu na (peptidové) glykány. Mol. Microbiol. 2008, 68, 838-847. [CrossRef]

11. Dworkin, J. Detekcia hubových a bakteriálnych sacharidov: Hrajú podobné štruktúry chitínu a peptidoglykánu úlohu pri imunitnej dysfunkcii? PLoS Pathog. 2018, 14, e1007271. [CrossRef] [PubMed]

12. Oi, V.; Vuong, T.; Hardy, R.; Reidler, J.; Dangle, J.; Herzenberg, L.; Stryer, L. Nukleotidová sekvencia Bacillus fágových phi 29 génov 14 a 15: Homológia génu 15 s inými fágovými lyzozýmami. Nucleic Acids Res. 1986, 14, 10001–10008.

13. De Wit, PJ; Mehrabi, R.; Van den Burg, HA; Stergiopoulos, I. Hubové efektorové proteíny: Minulosť, prítomnosť a budúcnosť. Mol. Plant Pathol. 2009, 10, 735–747. [CrossRef] [PubMed]

14. Zhang, XC; Kanón, SB; Stacey, G. Evolučná genomika LysM génov v suchozemských rastlinách. BMC Evol. Biol. 2009, 9, 183. [CrossRef]

15. Zhang, XC; Kanón, SB; Stacey, G. Molekulárna evolúcia receptorových kináz typu lyzínového motívu v rastlinách. Plant Physiol. 2007, 144, 623–636. [CrossRef]

16. Miya, A.; Albert, P.; Shinya, T.; Desaki, Y.; Ichimura, K.; Shirasu, K.; Narusaka, Y.; Kawakami, N.; Kaku, H.; Shibuya, N. CERK1, kináza receptora LysM, je nevyhnutná pre signalizáciu chitín elicitoru v Arabidopsis. Proc. Natl. Akad. Sci. USA 2007, 104, 19613–19618. [CrossRef]

17. Shimizu, T.; Nakano, T.; Takamizawa, D.; Desaki, Y.; Ishii-Minami, N.; Nishizawa, Y.; Minami, E.; Okada, K.; Yamane, H.; Kaku, H.; a kol. Dve molekuly receptora LysM, CEBiP a OsCERK1, kooperatívne regulujú signalizáciu chitín elicitoru v ryži. Závod J. 2010, 64, 204–214. [CrossRef]

18. Wan, J.; Zhang, XC; Neece, D.; Ramonell, KM; Clough, S.; Kim, SY; Stacey, MG; Stacey, G. Kináza podobná receptoru LysM hrá rozhodujúcu úlohu v signalizácii chitínov a rezistencii na huby u Arabidopsis. Rastlinná bunka 2008, 20, 471–481. [CrossRef]

19. Iizasa, E.; Mitsutomi, M.; Nagano, Y. Priama väzba rastlinnej kinázy podobnej receptoru LysM, LysM RLK1/CERK1, na chitín in vitro. J. Biol. Chem. 2010, 285, 2996–3004. [CrossRef] [PubMed]

20. Brotman, Y.; Landau, Spojené kráľovstvo; Pnini, S.; Lisec, J.; Balazadeh, S.; Mueller-Roeber, B.; Zilberstein, A.; Willmitzer, L.; Chet, I.; Viterbo, A. Kináza LysM RLK1 podobná receptoru LysM je potrebná na aktiváciu obranných reakcií a reakcií na abiotický stres vyvolaných nadmernou expresiou hubových chitináz v rastlinách Arabidopsis. Mol. Závod 2012, 5, 1113–1124. [CrossRef]

21. Chen, L.; Hamada, S.; Fujiwara, M.; Zhu, T.; Thao, NP; Wong, HL; Krišna, P.; Ueda, T.; Kawasaki, T.; Shimamoto, K. Chaperónový komplex Hop/Sti{1}}Hsp90 uľahčuje dozrievanie a transport receptora PAMP vo vrodenej imunite ryže. Bunkový hostiteľský mikrób 2010, 7, 185–196. [CrossRef] [PubMed]

22. Akamatsu, A.; Wong, HL; Fujiwara, M.; Okuda, J.; Nishida, K.; Uno, K.; Imai, K.; Umemura, K.; Kawano, Y.; Shimamoto, K. Modul OsCEBiP/OsCERK1-OsRacGEF1-OsRac1 je základnou ranou zložkou imunity ryže vyvolanej chitínom. Bunkový hostiteľský mikrób 2013, 13, 465–476. [CrossRef]

23. Shinya, T.; Yamaguchi, K.; Desaki, Y.; Yamada, K.; Narisawa, T.; Kobayashi, Y.; Maeda, K.; Suzuki, M.; Tanimoto, T.; Takeda, J. Selektívna regulácia obrannej reakcie vyvolanej chitínom pomocou cytoplazmatickej kinázy podobnej Arabidopsis receptoru PBL27. Závod J. 2014, 79, 56–66. [CrossRef] [PubMed]

24. Yamaguchi, K.; Yamada, K.; Ishikawa, K.; Yoshimura, S.; Hayashi, N.; Uchihashi, K.; Ishihama, N.; Kishi-Kaboshi, M.; Takahashi, A.; Tsuge, S. Cytoplazmatická kináza podobná receptoru, na ktorú sa zameriava efektor rastlinného patogénu, je priamo fosforylovaná chitínovým receptorom a sprostredkúva imunitu ryže. Bunkový hostiteľský mikrób 2013, 13, 347–357. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com