Proteine ​​Lysin Motif (LysM): manipolazione interconnessa dell'immunità delle piante e dei funghi

Astratto:

Le proteine ​​con motivo di lisina (LysM) sono moduli proteici leganti i carboidrati che svolgono un ruolo fondamentale nelle interazioni ospite-patogeno. Le proteine ​​LysM della pianta funzionano principalmente come recettori di riconoscimento del modello (PRR) che percepiscono la chitina per indurre l'immunità della pianta. Al contrario, il LysM fungino blocca il rilevamento o la segnalazione della chitina per inibire l'immunità dell'ospite indotta dalla chitina. In questa recensione, forniamo prospettive storiche sui LysM vegetali e fungini per dimostrare come queste proteine ​​​​sono coinvolte nella regolazione della risposta immunitaria delle piante da parte dei microbi. Le piante impiegano le proteine ​​LysM per riconoscere le chitine fungine che vengono poi degradate dalle chitinasi delle piante per indurre l'immunità. Al contrario, i patogeni fungini reclutano le proteine ​​LysM per proteggere la loro parete cellulare dall'idrolisi da parte della chitinasi vegetale per prevenire l'attivazione dell'immunità indotta dalla chitina. Scoprire questa corsa agli armamenti coevolutiva in cui LysM svolge un ruolo fondamentale nella manipolazione facilita una maggiore comprensione dei meccanismi che regolano le interazioni pianta-fungo.

Parole chiave:

proteina del motivo della lisina (LysM); interazioni pianta-fungo; chitina; manipolazione immunitaria.

I motivi di lisina (GRAS) sono una classe di sequenze proteiche conservate che esistono in una varietà di organismi. Sono coinvolti nella regolazione della crescita e dello sviluppo e nell'adattamento allo stress nelle piante e nei funghi e si trovano anche nei mammiferi. Studi recenti hanno dimostrato che le proteine ​​GRAS sono anche coinvolte nella regolazione delle risposte immunitarie nelle piante e nei mammiferi, influenzando così l'immunità. Nelle piante, le proteine ​​GRAS sono coinvolte nella mediazione delle risposte di difesa delle piante ai patogeni. Ad esempio, in Arabidopsis thaliana, le proteine ​​GRAS SHR e SCR sono coinvolte nella resistenza delle radici delle piante ai patogeni e queste proteine ​​possono indurre l'apoptosi nelle radici delle piante e promuovere la morte dei batteri patogeni. Inoltre, le proteine ​​GRAS migliorano anche la resistenza delle piante ai patogeni partecipando alla regolazione dell'espressione genica nell'attivazione immunitaria delle piante.

Nei mammiferi, sebbene ci siano pochi studi sulla funzione immunitaria delle proteine ​​GRAS, alcuni studi hanno dimostrato che esse sono coinvolte nella regolazione immunitaria. Ad esempio, la proteina GRAS SPRY2 può inibire la proliferazione e l'attivazione delle cellule T e aumentare il numero di cellule T regolatorie, regolando così l'equilibrio della risposta immunitaria. D'altra parte, la proteina GRAS OSL1 può anche partecipare alla regolazione della risposta immunitaria dei mammiferi e può inibire l'attivazione e la proliferazione delle cellule T.

Pertanto, si può vedere che le proteine ​​GRAS sono coinvolte nella regolazione delle risposte immunitarie nelle piante e nei mammiferi, influenzando così l'immunità. La ricerca futura deve esplorare il ruolo specifico e il meccanismo delle proteine ​​GRAS nella regolazione immunitaria, per fornire una base teorica per lo sviluppo di nuovi immunomodulatori. Questo dimostra l'importanza dell'immunità, quindi dobbiamo migliorare l'immunità. Cistanche può migliorare l'immunità. La cenere di carne contiene una varietà di componenti biologicamente attivi, come polisaccaridi, due funghi, Huang Li, ecc. Stimola varie cellule del sistema immunitario e aumenta la loro attività immunitaria.

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1. Introduzione

Essendo immobili, le piante affrontano molteplici sfide durante la loro vita, comprese quelle dei patogeni. Le piante non possiedono un sistema immunitario circolante come gli animali, né generano anticorpi per combattere i patogeni [1]. Pertanto, strategie uniche per difendersi dalle invasioni di agenti patogeni sono state progettate dalle piante durante la loro evoluzione. Le piante hanno sviluppato recettori immunitari come mezzo per rilevare e successivamente scoraggiare i patogeni [2]. I recettori immunitari nelle piante possono essere suddivisi in due tipi principali, i recettori di riconoscimento del modello (PRR) e i recettori ripetuti ricchi di leucina leganti i nucleotidi (NLR) [3]. I PRR sono stati impiegati come difesa primaria contro i patogeni.

In generale, i PRR sono localizzati sulla membrana cellulare e appartengono a una famiglia di recettore chinasi che generalmente include un dominio di legame al ligando extracellulare, un dominio transmembrana e un dominio chinasico intracellulare [4]. I domini extracellulari dei PRR possono riconoscere specificamente modelli molecolari associati alle molecole (MAMP), come il lipopolisaccaride batterico (LPS), flagellina, EF-Tu (fattore di allungamento termoinstabile), peptidoglicani, chitina fungina e -glucani e ergosteroli attivati domini chinasi intracellulari attraverso domini transmembrana che a loro volta potenziano i segnali immunitari a valle [5-7]. Per superare questo primo livello delle barriere del sistema immunitario della pianta, i patogeni secernono piccole molecole chiamate effettori nelle cellule vegetali. Questi effettori interrompono la segnalazione della proteina chinasi attivata dal mitogeno (MAPK) e la sua trasmissione a valle inibendo la traduzione e l'attività dei PRR e la loro complessa segnalazione. Oltre a questo, può anche influenzare l'immunità delle piante interferendo con diversi processi cellulari come la produzione di ROS, il trasporto delle vescicole, la deposizione del callo e il rafforzamento della parete cellulare [5,7].

Il dominio LysM include proteine ​​che svolgono direttamente un ruolo nei PRR che regolano l'immunità nelle piante o come effettori nei funghi patogeni che sopprimono l'immunità delle piante [8]. Il dominio LysM è un modulo generale di legame al peptidoglicano, che ha una struttura secondaria con due eliche impilate sullo stesso lato del foglio antiparallelo. Generalmente, il modulo LysM contiene circa 50 aminoacidi e si lega ai peptidoglicani, alla chitina e ai loro derivati ​​[9]. Il dominio LysM è stato inizialmente scoperto nell'enzima antimicrobico lisozima di un batteriofago [8] e un numero crescente di studi ha scoperto che le proteine ​​del dominio LysM sono ampiamente distribuite negli eucarioti e nei procarioti [10,11].

Come dominio funzionale che aiuta a eludere l'immunità dell'ospite, la funzione delle proteine ​​del dominio LysM si basa sulle proprietà di legame del dominio LysM al polisaccaride chitina fungino, che è un carboidrato complesso insolubile nella parete cellulare fungina che generalmente viene degradato dalle chitinasi vegetali. 12]. La parete cellulare dei patogeni fungini è il primo punto di contatto con la pianta ospite e il componente principale della parete cellulare fungina è la chitina [12]. Per le piante, la chitina fungina agisce come un MAMP, che induce l'immunità delle piante legandosi con i PRR affini nelle piante. Al contrario, per eludere la risposta di difesa dell'ospite, gli effettori contenenti dominio LysM vengono secreti dai patogeni fungini per proteggere le loro pareti cellulari. La chitina come componente essenziale della parete cellulare fungina agisce come una molecola importante nella manipolazione dell'immunità dell'ospite mediata dalle proteine ​​LysM. Questa interazione intermolecolare sottolinea i risultati di processi ospite-patogeno finemente controllati, che sono diventati la base per migliorare la resistenza alle malattie nelle colture [13].

Pertanto, in questa recensione, forniamo una valutazione completa delle caratteristiche biologiche delle proteine ​​LysM da piante e funghi, i meccanismi mediante i quali si verifica la manipolazione dell'immunità dell'ospite e i loro ruoli interattivi tra piante e funghi per facilitare la comprensione del meccanismo di LysM -immunità mediata e il suo significato per l'agricoltura.

2. LysM media la segnalazione della chitina nelle piante

Il LysM esiste sotto forma di chinasi simili a recettori (LYK) contenenti LysM o LysM non chinasi [14]. I LYK sono presenti esclusivamente nelle piante e sono coinvolti nella regolazione dell'immunità delle piante [14]. Le proteine ​​LysM vegetali sono molto diverse, con almeno sei tipi diversi a differenza dei tipi non chinasi, suggerendo che le proteine ​​LysM si trovano in una gamma di domini strutturali complessi [14,15]. Tuttavia, una funzione biologica non è stata assegnata alla maggior parte dei geni LysM non chinasi.

2.1. LysM in Arabidopsis e riso

Il riconoscimento dei modelli molecolari associati ai patogeni (PAMP) da parte dei PRR è il primo passo nella difesa delle piante, i PAMP sono molecole elicitrici conservate come la chitina fungina e i chitooligosaccaridi, il peptidoglicano batterico e la maturazione e il trasporto dei PRR è un importante processo biologico. La chinasi 1 del recettore dell'elicitore della chitina (CERK1) è un membro classico di LysM, che si trova nel riso e nell'Arabidopsis [16,17]. Funziona come un PRR sulle membrane delle cellule vegetali per riconoscere alcuni modelli molecolari conservativi derivati ​​da funghi patogeni e indurre la risposta immunitaria dell'ospite (Figura 1). CERK1, che contiene tre domini LysM, svolge un ruolo chiave nella percezione degli induttori di chitina oligosaccaride e nella trasduzione di N-acetilglucosamina. Mostra una maggiore affinità per l'oligosaccaride di chitina con residui più lunghi. Le risposte immunitarie indotte dalla chitina MAMP fungina includono l'attivazione di MAPK, la produzione di specie reattive dell'ossigeno (ROS) e l'espressione di geni di difesa [16,18-20].

Il recettore della chitina del riso OsCERK1 matura nel reticolo endoplasmatico da dove viene trasportato al reticolo ectoplasmatico attraverso l'apparato di Golgi. Durante questo processo, la proteina indotta da stress (Hop/Sti1) e la proteina 90 da shock termico (Hsp90) possono assemblare una o più GTPasi OsRac1 di tipo Rho specifiche per le piante, un membro delle guanosintrifosfati (GTPasi) della famiglia Rho, che si complessano in il reticolo endoplasmatico e il successivo trasporto di OsCERK1 dal reticolo endoplasmatico al reticolo endoplasmatico regola la maturazione di OsCERK1. Il processo di trasporto si basa sulla regolazione della piccola proteina correlata alla secrezione di GTPasi e della proteina 1 correlata a ras (GTPasi Sar1) [21].

Come una piccola proteina regolatrice del nucleotide della guanina (G), OsRac1 è coinvolta nel complesso del recettore contenente OsCERK1- che regola l'immunità dopo che la chitina fungina viene percepita dalle cellule di riso [21,22]. Un membro della chinasi citoplasmatica simile al recettore (RLCK), inclusa la probabile serina / treonina proteina chinasi 27 (PBL27), essendo un componente a valle di CERK1, svolge un ruolo importante nel rilevamento della chitina e nella segnalazione a valle, che infine contribuisce alla modulazione dell'immunità indotta da chitina in Arabidopsis [23]. Dopo il riconoscimento della chitina CERK1, PBL27 viene fosforilata da CERK1. PBL27 fosforilato successivamente partecipa all'attivazione di MAPK [23]. Allo stesso modo, la chinasi citoplasmatica simile al recettore nel riso OsRLCK185 può anche essere fosforilata da OsCERK1 attivato dalla chitina e suscitare risposte MAPK [24,25]. OsRLCK185 fosforila anche la ferritina citoplasmatica OsDRE2a, omologa di riso della proteina Dre2 del lievito, per modulare un burst di ROS indotto dalla chitina [26]. Anche altri membri di RLCK VII, tra cui OsRLCK57, OsRLCK107, OsRLCK118 e OsRLCK176, sono coinvolti in diverse vie di segnalazione della chitina [27-29].

Inoltre, in Arabidopsis sono stati identificati diversi altri componenti a valle coinvolti nella segnalazione mediata da CERK1-. La proteina U-box vegetale 4 (PUB4) è un'ubiquitina ligasi che interagisce con CERK1. È un regolatore positivo della segnalazione della chitina attraverso il suo ruolo nella produzione di ROS e nella deposizione di callosio sulla percezione dell'oligosaccaride di chitina [30]. Membri della chinasi citoplasmatica simile al recettore Arabidopsis tra cui RLCK VII-4, RLCK VII-5, RLCK VII-7 e RLCK VII-8 funzionano a valle dei PRR coinvolti nella flagellina e segnalazione della chitina, contribuiscono alla deposizione del callosio e alla generazione di ROS. RLCK VII-4 è stato specificamente dimostrato essere importante per la segnalazione della chitina attraverso il suo ruolo nell'attivazione della cascata MAPK alla percezione della chitina, collegando così un PRR alla segnalazione MAPK [31]. Presi insieme, questi risultati indicano che il modulo di segnalazione CERK1-RLCK svolge un ruolo conservato nella produzione di ROS in Arabidopsis e riso durante una risposta immunitaria innescata dalla chitina [21-31].

È interessante notare che il recettore della chitina CERK1 si lega direttamente alla chitina, con tutti e tre i domini LysM extracellulari richiesti per il legame della chitina, ma, più significativamente, senza altre proteine ​​interagenti, fornendo così la prova che CERK1 è una delle principali proteine ​​leganti la chitina nelle piante. 32]. Il dominio paramembrana juxtamembrane (JM) conservato regola l'attività della chinasi di CERK1 in Arabidopsis. Inoltre, il dominio paramembrana JM svolge anche un ruolo funzionalmente conservato nell'attivazione del segnale di rilevamento della chitina in Arabidopsis [33]. Infine, la dimerizzazione del CERK1 indotto dalla chitina è il processo biologico chiave necessario per la trasduzione del segnale immunitario indotto dalla chitina [34]. Ad esempio, l'omodimerizzazione di CERK1 indotta dal ligando è necessaria per i modelli molecolari di percezione del ligando, attivazione del recettore e trasduzione del segnale immunitario [34,35].

La fosforilazione proteica è anche un passo regolatorio chiave nella segnalazione LysM delle piante [23]. Innanzitutto, poiché CERK1 è un'importante proteina legante la chitina che è direttamente coinvolta nel legame della chitina da parte di LysM, la sua percezione del segnale chitina e la trasmissione dipendono dalle modifiche post-traduzionali e dall'attività della chinasi [32]. È noto che CERK1 fosforila le chinasi citoplasmatiche simili a recettori PBL27 in A. thaliana [23,36]. Allo stesso modo, nel riso, il fattore di scambio nucleotidico della guanina per OsRac1 OsRacGEF1 è fosforilato dalla chinasi citoplasmatica OsCERK1 [22]. CERK1 interagisce anche con LYK5 per rilevare l'oligosaccaride di chitina e attivare i componenti a valle della cascata di segnalazione della chitina; successivamente, LYK5 si separa da CERK1 per entrare nelle vescicole e va incontro a endocitosi mediante fosforilazione con CERK1 [37]. Dopo il rilevamento della chitina, CERK1 recluta la proteina fosfatasi 1 (CIPP1) interagente con CERK1-, una prevista fosfatasi Ser/Thr, per defosforilare Tyr428 e smorzare la segnalazione di CERK1 [38].

Altri RLK e RLP contenenti il ​​dominio LysM esistono anche nel riso e nell'Arabidopsis e sono coinvolti nella segnalazione della chitina. Ad esempio, le proteine ​​leganti l'eccitone della chitina (CEBiP) sono state le prime RLP LysM vegetali scoperte nel riso [39]. L'analisi della struttura molecolare del dominio di riconoscimento della chitina OsCEBiP ha mostrato che le strutture cristalline di un ectodominio libero (ED) di OsCEBiP (OsCEBiP-ECD) contengono tre LysM in tandem, seguite da una nuova piega strutturale di domini ricchi di cisteina [40]. L'analisi strutturale ha anche mostrato che il legame della chitina non può influenzare in modo significativo la conformazione di OsCEBiP, ma la chitina in una "modalità scorrevole" provoca l'aggregazione di OsCEBiP, che svolge un ruolo chiave nella percezione e nella trasduzione di diversi induttori di chitina nelle cellule di riso [39-41].

Inoltre, OsLYP4 e OsLYP6, come LysM-RLP, mostrano anche affinità per la chitina, possibilmente come piccoli recettori per la chitina [42], entrambi i quali possono formare omo ed eterodimeri e interagire con CEBiP per partecipare alla trasduzione del segnale di peptidoglicano (PGN) e chitina [42,43]. OsCERK1 può anche essere utilizzato come collegamento per legarsi con OsLYP4 e OsLYP6 [44]. Mentre l'omologo OsCEBiP in Arabidopsis, il dominio del motivo della lisina contenente glicosilfosfatidilinositolo-a-anchorprotein2 (LYM2), mostra somiglianza con il CEBiP del riso, non è coinvolto nella segnalazione nonostante l'elevata affinità per il legame con l'oligosaccaride p-chitina [44]. LYM2 media una riduzione del flusso molecolare tramite plasmodesmata in presenza di chitina oligosaccaride per indurre le risposte di difesa contro il patogeno fungino Botrytis halal, ma LYM2 non è richiesto per le risposte di difesa attivate dalla chitina mediate da CERK1-, indicando che ci sono almeno due vie di risposta attivate dalla chitina indipendenti in Arabidopsis [44].

Inoltre, molti altri omologhi CEBiP sono stati trovati in Arabidopsis coinvolti nella regolazione della trasduzione del segnale della chitina e dell'immunità delle piante, tra cui LysM RLK 1-interacting kinase 1 (LIK1), LysM receptor chinase 3 (LYK3), LysM recettore chinasi 4 (LYK4) e recettore LysM chinasi 5 (LYK5) [37,44-47]. Diversi oligomeri di chitina possono indurre l'eterodimerizzazione di AtLYK5 e l'omodimerizzazione di AtCERK1, ma l'eterodimero AtLYK5-AtCERK1 indotto dalla chitina è più forte dell'omodimero AtCERK1 perché solo AtCERK1 contiene un dominio chinasico, che ha anche dimostrato di essere responsabile dell'avvio della segnalazione intracellulare della chitina. 48].

Anche i fattori regolatori negativi svolgono un ruolo chiave nell'espressione dei geni di difesa indotti dai patogeni di base e precoci e nella protezione della crescita delle piante dal danno immunitario indotto dalla chitina [36]. Ad esempio, AtLYK3 e LIK1 regolano negativamente la difesa della pianta indotta dalla chitina e agiscono come componenti del complesso della chinasi citoplasmatica PBL27. La proteina U-box vegetale 12 (PUB12) regola negativamente l'immunità indotta dalla chitina [36,45,47]. AtCERK1 attivato dalla chitina defosforila il suo residuo di tirosina 428 reclutando CIPP1, che può essere utilizzato come meccanismo di feedback negativo per bloccare la trasduzione del segnale della chitina [38]. Tuttavia, non è ancora noto come le piante bilancino questi regimi di segnalazione positivi e negativi o se si basino su altre molecole di segnalazione.

Infine, la risposta immunitaria è una rete complessa e precisa che include molteplici cross-talk di segnalazione durante le interazioni pianta-patogeno, e i LysM non fanno eccezione [46]. AtLYK3 è coinvolto nell'interazione negativa mediata dall'acido abscissico dell'ormone (ABA) con le risposte immunitarie delle piante [46]. LIK1 regola positivamente la segnalazione dell'ormone acido jasmonico/etilene (JA/ET) e regola negativamente le risposte di difesa delle piante indotte dalla chitina [47]. Il dominio LysM di EMBRYO SAC 1 (OsEMSA1A) è responsabile dello sviluppo e della funzione delle blastocisti embrionali [49]. CERK1 è richiesto in risposta sia alla simbiosi micorrizica arbuscolare (AM) che allo stress salino delle piante [50-53]. Questi risultati suggeriscono che CERK1, oltre al suo coinvolgimento nelle risposte immunitarie come RLK, svolge anche due o più funzioni meccanicamente indipendenti. Ad esempio, CERK1 può svolgere un ruolo nel controllo della morte cellulare indipendentemente dalla chitina e non dipende dalla sua attività chinasica [54].

Gli oligomeri di chitina oligosaccaride -1,4-N-acetilglucosamina (GlcNAc), che fungono da unica struttura glicosidica della parete cellulare fungina, funzionano anche come MAMP nelle piante, ma il -1,{ non ramificato {4}}Il glucano degli oligosaccaridi polifilari di cetriolo può anche causare l'immunità attivata da PAMP (PTI) mediata dal recettore CERK1 nell'Arabidopsis [55]. Arabidopsis CERK1 media l'immunità delle piante in risposta alla resistenza non ospite al Fusarium oxysporum [56]. È stato recentemente suggerito che OsCERK1 abbia un ruolo aggiuntivo nel causare una risposta immunitaria indotta da un lipopolisaccaride batterico (LPS) nel riso [54]. Gli alleli mutanti di Arabidopsis cerk1–4 non sono riusciti ad accumulare idrolizzati proteici extracellulari, portando a un aumento della suscettibilità o all'induzione della senescenza [54]. Dal momento che cerk1–4, le piante hanno mostrato normali risposte alla chitina, la morte cellulare non era correlata all'attività della chinasi di AtCERK1 [54]. È stato anche riportato il ruolo di AtCERK1 nella tolleranza al sale nell'Arabidopsis, AtCERK1 interagisce con la proteina del canale del calcio ANNEXIN 1 (ANN1), che è responsabile del flusso verso l'interno del calcio indotto dal sale [50].

2.2. LysM in altre piante

Gli omologhi di CERK1 hanno anche importanti funzioni biologiche in altre piante, specialmente nelle manipolazioni dell'immunità [57-59]. Anche le proteine ​​contenenti LysM sono differenziate funzionalmente in una varietà di processi cellulari. La proteina 1 contenente LysM nel gelso (MmLYP1), un omologo CEBiP, ha un effetto inibitorio sulla chitina insolubile e si basa sulle proteine ​​2 contenenti LysM (MmLYK2, omologo CERK1) durante le infezioni da ascomiceti [60]. Nel cotone, due chinasi simili al recettore LysM, Gh-LYK1 e Gh-LYK2, hanno un certo effetto sulla resistenza del cotone all'appassimento del Verticillium. Tutti e tre i domini LysM di Gh-LYK1 e Gh-LYK2 sono necessari per la loro capacità di legare la chitina e il silenziamento genico indotto da virus (VIGS) di Gh-LYK1 e Gh-LYK2 nelle piante di cotone compromette la resistenza al Verticillium dahliae.

Tuttavia, Gh-LYK2 e Gh-LYK1 possono contribuire in modo differenziato alla difesa nel cotone. Gh-LYK2, ma non Gh-LYK1, è una pseudo-chinasi e l'ED di Gh-LYK2 può indurre l'esplosione di ROS nelle piante [58]. GhWAK7A nel cotone interagisce direttamente con GhLYK5 e GhCERK1 e promuove la dimerizzazione GhLYK5-GhCERK1 indotta dalla chitina, che svolge un ruolo essenziale nella risposta indotta dalla chitina [61]. Inoltre, la proteina 1 simile al recettore di tipo LysM (LYP1), la chinasi 7 simile al recettore contenente LysM (LYK7) e la proteina 3 extracellulare LysM (LysMe3) sono recettori di membrana che riconoscono i segnali della chitina, che possono attivare i processi di difesa a valle e migliorare la resistenza a V. dahliae [62]. A differenza dell'OsCERK1 del riso, le proteine ​​LysM nel pomodoro presentano una significativa divergenza funzionale [63]: nel pomodoro, SlLYK10 e SlLYK12 partecipano alla regolazione della simbiosi AM, SlLYK1 partecipa alla risposta immunitaria indotta dalla chitina e SlLYK13 è coinvolta nella morte cellulare [57 ,64]. L'omologo AtCERK1 della mela, MdCERK1, migliora la resistenza all'alternaria alternata [59]. Pteris ryukyuensis chitinase-A (PrChiA) ha un'attività legante la chitina e antimicotica [65], mentre Equisetum arvense chitinase-A (EaChiA) no [66]. La principale differenza strutturale tra PrChiA ed EaChiA è il numero di domini LysM [66], ma non ci sono dati che suggeriscano che ciò sia correlato a differenze nell'attività antifungina. Inoltre, la presenza di proteine ​​LysM in mele, uva, patate e meli è stata anche identificata e ha dimostrato di partecipare alle risposte immunitarie indotte dalla chitina [59,67-69]. Le proteine ​​LysM nei piselli, nelle petunie e nell'erba medica sono coinvolte nella simbiosi AM delle piante [70-73].

3. LysM inibisce la segnalazione della chitina nei funghi

Molti patogeni fungini codificano effettori esosomiali contenenti lo stesso dominio LysM dei recettori per la chitina della pianta. La maggior parte dei patogeni fungini inibisce l'immunità delle piante indotta dalla chitina bloccando il rilevamento o la segnalazione della chitina [74-79]. Ecp6 in Cladosporium flavum, il primo effettore del dominio LysM scoperto, chela la chitina durante l'infezione [74]. Gli oligosaccaridi di chitina rilasciati dalla parete cellulare del micelio invasore dalla lisi cellulare o degradati dalle chitinasi vegetali si legano agli oligomeri di chitina per impedire la percezione della pianta, bloccando l'immunità della pianta innescata dalla chitina [74,75]. Successivamente, è stato scoperto un lotto di effettori fungini LysM coinvolti nell'inibizione dell'immunità delle piante.

Le proteine ​​strutturali extracellulari LysM di Colletotrichum higginsianum ChELP1 e ChELP2 del fungo ascomicete che causano la malattia da antracnosi nelle piante svolgono un duplice ruolo nell'attaccamento, nella funzione cellulare e nell'immunosoppressione delle piante innescata dalla chitina. ChELP1 e ChELP2 svolgono un ruolo importante nel mantenimento della virulenza dei funghi e della loro capacità di penetrare nelle cellule dell'epidermide di Arabidopsis e nelle membrane del cellophane [79]. Fungalysin metalloprotease nel fungo antracnosi del mais Colletotrichum graminicola (Cgfl) contiene non solo due domini LysM, ma anche metalloproteinasi di zinco del dominio HEXXH del sito catalitico conservato ed è ampiamente conservata nei funghi. Dopo l'infestazione del mais, Cgfl è espresso specificamente durante la fase biotrofica, ed è stato dimostrato che il fungo utilizza sia strategie mediate da Cgfl che proteine ​​mediate da LysM per controllare i segnali della chitina sopprimendo l'attività della chitinasi dell'ospite [80]. Allo stesso modo, il fungo dell'esplosione del riso Magnaporthe oryzae non si basa solo sulla proteina LysM SLP1, ma anche sull'omologo della proteina della famiglia 9 di attività ausiliaria (Aa9) MoAa91 (di M. oryzae) che è necessario per il riconoscimento superficiale e per la soppressione indotta dalla chitina risposte immunitarie della pianta. MoAa91 è regolato dalla segnalazione della proteina G (RGS) e dalle proteine ​​simili a RGS che sono necessarie per lo sviluppo dell'appressorio ed è anche soggetto a regolazione negativa da parte del fattore di trascrizione MoMsn2. Il mutante MoAa91 formava cellule aderenti immature all'interfaccia indotta artificialmente ei mutanti di delezione genica riducevano significativamente la patogenicità.

Ulteriori studi hanno dimostrato che MoAa91 è secreto nello spazio esosomiale dove si lega con la chitina e gli oligosaccaridi della chitina competendo con il recettore immunitario del riso CEBiP, con conseguente inibizione delle risposte immunitarie della pianta indotte dalla chitina [81]. La proteina ZtGT2 del patogeno del grano Zymoseptoria tritici ha la funzione di mantenere la superficie più esterna della parete cellulare fungina aiutando l'estensione delle ife sulle superfici solide. È diffuso nei funghi e la sua perdita ha comportato la perdita della virulenza del patogeno sulla superficie dell'ospite derivante dall'handicap nell'estensione ifale. Una mutazione nell'ortologo ZtGT2 nel fungo patogeno Fusarium graminearum ha provocato un'espressione potenziata costitutiva di diverse transmembrane e proteine ​​​​secrete, incluso l'importante dominio LysM Zt3LysM, un effettore di virulenza legante la chitina del dominio LysM. Sebbene l'adesione alle superfici fogliari non sia stata influenzata nei mutanti affini di F. graminearum, una grave compromissione della crescita ifale nei mutanti ha provocato una simile perdita di patogenicità in questo fungo tassonomicamente non correlato sulle spighe di grano [82].

Mycosphaerella graminicola che causa la Septoria tritici malattia del grano porta gli effettori Mg1LysM e Mg3LysM che sono omologhi della proteina effettrice extracellulare proteina 6 (Ecp6) dal patogeno fungino della muffa biotrofica Cladosporium fulvum. Il lavoro precedente ha dimostrato che questi effettori fungini possono legare la chitina, quindi, a loro volta, proteggere le ife fungine dalle chitinasi di origine vegetale, probabilmente aiutando il patogeno a eludere la risposta immunitaria dell'ospite attivata attraverso i recettori della chitina CERK1 e CEBiP [76,77]. La proteina strutturale LysM di Magnaporthe grisea che secerne una proteina effettrice, la proteina LysM secreta 1 (SLP1) e l'effettore LysM di Rhizoctonia solani (RsLysM) inibiscono l'immunità innescata dalla chitina legando la chitina, ma non possono proteggere le ife dall'idrolisi [76,77, 83]. Uno studio su 18 presunte proteine ​​LysM in Penicillium spp. scoperto che i livelli di espressione di PeLysM1, PeLysM2, PeLysM3 e PeLysM4 erano significativamente aumentati durante l'infezione da agenti patogeni, ma non influenzavano la virulenza fungina. È stato anche dimostrato che PeLysM3 regola la germinazione delle spore e il tasso di crescita [84].

Tuttavia, i LysM fungini non sono sempre coinvolti solo nella manipolazione dell'immunità delle piante con conseguenti effetti deleteri sull'ospite. Un effettore LysM secreto identificato dal modello di micorriza arbuscolare (AM) specie fungine Rhizophagus irregolaris (RiSLM) è una delle proteine ​​effettrici più espresse nel micelio intraradicale durante la simbiosi con l'ospite Medicago truncatula. Esperimenti di legame in vitro hanno dimostrato che RiSLM si lega agli oligosaccaridi di chitina per proteggere le pareti delle cellule fungine dalla chitinasi. Inoltre, RiSLM può interferire efficacemente con la risposta immunitaria innescata dalla chitina per sovvertire l'immunità innescata dalla chitina durante la simbiosi, il che indica un ruolo comune degli effettori LysM nei funghi sia simbiotici che patogeni ad un certo punto dell'evoluzione [85,{{2} }]. In una nota simile, il fungo benefico Trichoderma viride impiega effettori come Tal6 che sequestrano gli oligomeri GlcNAc, interferendo così con la percezione della N-acetilglucosamina derivata dal fungo da parte del meccanismo di sorveglianza della pianta che porta alla protezione delle ife fungine dalle chitinasi dell'ospite [87].

La N-glicosilazione come modifica post-trascrizionale è un meccanismo tipico per gli effettori ampiamente utilizzato dai patogeni fungini per modulare la loro capacità di eludere l'immunità dell'ospite [88]. La N-glicosilazione mediata da Alg3- di Slp1 è necessaria per la sua stabilità proteica e per l'affinità con la chitina. La N-glicosilazione con l'aiuto di Slp1 è necessaria per eludere l'immunità innata dell'ospite [88]. Anche ChELP1 e ChELP2 sono N-glicosilati [79]. Questi studi suggeriscono che la N-glicosilazione è essenziale ed è una modifica comune per gli effettori LysM fungini per ottenere un'affinità per la chitina ultra-elevata [88]. L'identificazione e il confronto su larga scala delle proteine ​​N-glicosilazione in vari stadi di sviluppo biologico del fungo patogeno Magnaporthe oryzae hanno mostrato che sono stati identificati 559 siti di N-glicosilazione di 355 proteine; la maggior parte di essi è coinvolta in diversi processi di sviluppo biologico, come miceli, conidi e attaccamento e differenziazione cellulare [89].

4. LysM interblocca la manipolazione delle risposte immunitarie tra piante e agenti patogeni

L'attuale visione delle risposte di difesa inducibili nelle interazioni pianta-patogeno è ben catturata nel cosiddetto modello a zigzag. In questo modello, la prima difesa indotta è attivata dai PRR, e i PRR sono recettori di superficie cellulare che riconoscono MAMP [90]. Questa risposta di difesa include il rafforzamento della parete cellulare locale, la produzione di specie reattive dell'ossigeno e la produzione e il rilascio di composti antimicrobici, che insieme prevengono la maggior parte delle invasioni microbiche [1,3,7,90]. Quando i patogeni superano con successo le difese dell'ospite utilizzando effettori secreti, viene stabilita la suscettibilità innescata dall'effettore, che è un elemento chiave del modello a zig-zag [1]. Le proteine ​​LysM, i membri importanti che sono presenti sia nelle piante che nei funghi, dovrebbero svolgere un ruolo importante nell'interconnettere la modulazione dell'immunità tra piante e agenti patogeni.

Durante le interazioni fungo-pianta, quando i funghi sfondano la barriera della prima pianta e ingaggiano la superficie dell'ospite, le proteine ​​LysM della pianta agiscono come PRR per riconoscere la chitina e indurre l'immunità. La pianta impiega chitinasi secretoria per idrolizzare la parete cellulare fungina per rilasciare oligochitina libera. Successivamente, i segnali di difesa vengono trasmessi dalla chinasi citoplasmatica LysM a valle, innescando la risposta immunitaria della pianta per sopprimere la proliferazione dei funghi. Al contrario, i funghi secernono proteine ​​LysM per sopprimere l'immunità indotta dalla chitina. Le proteine ​​microbiche LysM proteggono la parete cellulare fungina dall'idrolisi legandosi alla superficie più esterna o competendo con i recettori LysM delle piante per legare i frammenti di chitina e infine superare l'immunità delle piante per facilitare l'infezione fungina.

Pertanto, le proteine ​​LysM interconnettono la manipolazione dell'immunità tra piante e agenti patogeni. Ciò è stato ben dimostrato in Verticillium spp. Nel cotone, diverse proteine ​​LysM hanno un certo effetto sulla resistenza del cotone all'appassimento del Verticillium, tra cui Gh-LYK1, Gh-LYK2 e GhLYK5 [58], attraverso la loro capacità di legare la chitina. In V. dahliae, l'effetto di LysM di Vd2 contribuisce alla virulenza del patogeno e lega la chitina per sopprimere le risposte immunitarie indotte dalla chitina, proteggendo così le ife fungine dall'idrolisi da parte degli enzimi idrolitici della pianta [91]. Gli agenti patogeni non solo utilizzano effettori LysM per bloccare l'immunità delle piante interagendo con il polimero di chitina per proteggere il micelio, poiché Verticillium alfalfa secerne anche la proteina legante la chitina di Verticillium nonalfalfae (VnaChtBP) contenente un dominio del motivo 18 legante i carboidrati (CBM18) che interagisce con il polimero di chitina [92]. Inoltre, un recente studio su V. dahliae ha rilevato che la delezione di un gene del polisaccaride deacetilasi (VdPDA1) ha gravemente compromesso la patogenicità di V. dahliae [93]. VdPDA1 ha una forte attività chitin oligomer deacetylase su oligosaccaridi chitina solubili in ambiente alcalino. Ulteriori studi hanno rivelato che gli oligosaccaridi di chitina deacetilati impediscono il riconoscimento dei recettori LysM, portando al blocco della trasmissione dei segnali immunitari del senso della chitina nell'intracellulare, che sopprime la risposta immunitaria dell'ospite durante l'host-V. interazione dalie [93]. Pertanto, i funghi patogeni possono bloccare la segnalazione della chitina (1) secernendo effettori del corpo extracellulare con elevata affinità per gli oligomeri della chitina, (2) secernendo effettori che competono con la chitina per legarsi con le chinasi del recettore LysM della pianta, (3) deacetilando la chitina per evitare la risposta immunitaria

5. Conclusioni e prospettive per studi futuri

La corsa agli armamenti coevolutiva tra funghi e piante si traduce in una risposta di difesa delle piante alla chitina fungina attraverso la manipolazione dell'immunità tra piante e agenti patogeni. I funghi di successo hanno sviluppato proteine ​​effettrici LysM che interferiscono con le risposte immunitarie mediate da LysM delle piante che alla fine portano alla suscettibilità delle piante. A loro volta, le piante hanno sviluppato i recettori LysM per stimolare le risposte di difesa. Quando i funghi si evolvono per produrre nuovi effettori LysM o interferiscono con l'immunità dell'ospite in altri modi, si ritiene che anche le piante risponderanno con nuovi recettori LysM per mantenere l'immunità delle piante.

Lungi dal comprendere le proteine ​​LysM nelle piante e nei funghi, le questioni prioritarie per guidare la ricerca nel prossimo futuro includono quanto segue: (1) l'attuale comprensione degli effettori LysM fungini e dei loro meccanismi inibitori nella segnalazione della chitina vegetale necessita di ulteriori progressi, compreso l'emergente ruolo di altri effettori fungini coinvolti nell'interconnessione della modulazione dell'immunità da parte sia dell'ospite che del patogeno, o la scoperta di recettori LysM vegetali sconosciuti, ecc.; (2) identificazione delle diverse/comuni caratteristiche delle proteine ​​LysM di piante e funghi e delle loro relazioni evolutive (questo faciliterebbe la comprensione della coevoluzione di come LysM interconnette la manipolazione immunitaria tra piante e patogeni); (3) ad eccezione della funzione di manipolazione dell'immunità durante le interazioni pianta-fungo, quali sono le altre funzioni delle proteine ​​LysM, specialmente nei funghi (oltre ai membri coinvolti nella manipolazione dell'immunità, le funzioni biologiche di alcuni altri membri delle proteine ​​LysM sono ancora poco chiaro); e (4) le proteine ​​fungine LysM agiscono come effettori per proteggere la parete cellulare dall'idrolisi da parte delle chitinasi vegetali e manipolare l'immunità durante le interazioni pianta-fungo. Tuttavia, anche il ruolo delle proteine ​​LysM nella simbiosi AM necessita di ulteriori indagini per facilitare l'uso di microbi benefici per la salute delle piante e per raggiungere la sicurezza alimentare in modo sostenibile.

Contributi dell'autore:

X.-YY e X.-FD hanno concepito l'argomento del documento. S.-PH ha scritto la bozza originale. J.-JL, J.-PL e WJ hanno partecipato alla preparazione e revisione del manoscritto. ND e J.-YC hanno fornito assistenza al montaggio. Tutti gli autori hanno letto e accettato la versione pubblicata del manoscritto.

Finanziamento:

Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni del National Key Research and Development Program of China (2018YFE0112500), dell'Elite Youth Program (Chinese Academy of Agricultural Sciences, CAAS) a J.-YC, della Agricultural Science and Technology Innovation Program a X. -FD, e una sovvenzione della National Natural Science Foundation of China (32001845) a WJ

Dichiarazione del comitato di revisione istituzionale:

Non applicabile.

Dichiarazione di consenso informato:

Non applicabile.

Dichiarazione sulla disponibilità dei dati:

Non applicabile.

Ringraziamenti:

Ci scusiamo in anticipo con tutti i ricercatori la cui ricerca non ha potuto essere opportunamente citata a causa dei limiti di spazio. Estendiamo i nostri ringraziamenti speciali a Krishna V. Subbarao (Università della California, Davis) per i loro utili suggerimenti.

Conflitto di interessi:

Gli autori dichiarano assenza di conflitto di interesse.

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