Comprensione e sfruttamento delle modifiche post-traduzionali per la resistenza alle malattie delle piante Parte 2

4. Gli effettori interrompono i PTM dell'ospite

La regolazione dei PTM è fondamentale per la resistenza alle malattie delle piante per ridurre al minimo l'insediamento di agenti patogeni. Numerosi effettori patogeni prendono di mira i macchinari PTM e alcuni effettori stessi agiscono come chinasi, proteasi SUMO, ligasi Ub E3, ecc. Per aggiungere/rimuovere PTM, interrompendo le difese della pianta per l'insediamento del patogeno (Tabella 1). Entrambi gli aspetti dell'interruzione del PTM-ome mostrano che i PTM sono uno dei componenti chiave per modificare la difesa contro i patogeni.

I patogeni batterici utilizzano un sistema di secrezione di tipo III per iniettare effettori intracellulari. Diverse proteine ​​effettrici microbiche agiscono come ligasi E3 Ub o interagiscono con le ligasi E3 Ub dell'ospite per interrompere l'ubiquitinazione dell'ospite e la regolazione dei bersagli [85]. Un caso ben noto è l'effettore batterico Pst di tipo III AvrPtoB che ha un dominio ligasi Ub C-terminale che ubiquitina i PRR FLS2 e CERK1 causando la degradazione del proteasoma, sopprimendo così la difesa [152,153]. AvrPtoB causa anche la degradazione proteasomica della protein chinasi Fen nelle piante di pomodoro suscettibili per prevenire l'attivazione dell'ETI [154].

Il proteasoma è un sistema di degradazione proteica intracellulare che libera le cellule dalle proteine ​​anormali o invecchiate. Il proteasoma è coinvolto non solo nella degradazione delle proteine, ma anche nella regolazione dell'immunità. Nella nostra vita quotidiana, dobbiamo migliorare la nostra immunità. Cistanche può anche migliorare l'immunità. La cistanche è ricca di una varietà di sostanze antiossidanti, come vitamina C, carotenoidi, ecc. Questi ingredienti possono eliminare i radicali liberi e ridurre lo stress ossidativo, migliorando la resistenza del sistema immunitario.

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Al contrario, la Pto chinasi di pomodoro, nella stessa famiglia di Fen, interagisce con AvrPtoB attraverso il legame di due domini di AvrPtoB per eludere la degradazione e attivare l'ETI nei pomodori resistenti [155]. AvrPtoB inoltre ubiquitina e degrada NPR1 per interrompere la segnalazione della difesa SA [173]. Gli effettori patogeni beneficiano della degradazione proteasomica mediata dall'ubiquitina dei componenti immunitari per sopprimere le risposte di difesa.

Gli effettori prendono di mira anche i componenti chiave della segnalazione immunitaria. Ad esempio, un effettore della serina proteasi, HopB1, di P. syringae scinde in modo specifico la forma attivata dalla chinasi di BAK1 [174]. Le mutazioni di Arg297 e Gly298 hanno inibito la scissione del dominio della chinasi BAK1 da parte di HopB1, il che spiega perché la proteina correlata SERK5 non viene scissa da HopB1 [174]. BAK1 è preso di mira da molti effettori poiché è un corecettore per diversi PRR [159,175]. Altri effetti agiscono per interrompere la fosforilazione dell'ospite; ad esempio, l'effettore HopAO1 di P. syringae è una proteina tirosina fosfatasi che defosforila FLS2 ed EFR per interrompere il PTI [176]. L'effettore HopAI1 inattiva MPK3, MPK4 e MPK6 attraverso la rimozione del gruppo fosfato dalla fosfotreonina [163].

RPM1-INTERACTING PROTEIN 4 (RIN4) può regolare più percorsi di segnalazione immunitaria ed è preso di mira da quattro effettori di P. syringae: AvrRPM1, AvrB, AvrRpt2 e HopF2 per interrompere la regolazione di RIN4 [160,177,178]. Geneticamente, RIN4 agisce come un regolatore negativo del PTI, ma a valle del rilevamento di flg22, RIN4 viene fosforilato su S141 per eliminare il PTI [177]. Un esempio in cui la modifica dei PTM porta a cambiamenti nella resistenza alle malattie è con il mutante fosfomimetico RIN4T166D che causa una maggiore suscettibilità a PstDC3000. Le piante RIN4T166D mostrano l'inibizione delle difese stomatiche a causa dell'aumentata attività H( plus )-ATPasi della membrana plasmatica che consente un aumento dell'ingresso del patogeno attraverso gli stomi [177,179]. È stato dimostrato che la fosforilazione di RIN4 a Thr-166 diminuisce come parte della risposta di difesa a valle della percezione della flagellina.

Tuttavia, l'effettore Pst AvrB induce RIPK a fosforilare RIN4 a Thr-166, che antagonizza l'accumulo della forma fosforilata RIN4 S141, portando alla repressione PTI e alla suscettibilità di P. syringae (nei genotipi suscettibili che mancano dei relativi NLR) [179,180] . RIN4 è protetto dalle proteine ​​NLR nei genotipi resistenti, che riconoscono le modifiche di RIN4 [178]. Gli effettori patogeni AvrRPM1 e AvrB inducono l'iperfosforilazione RIN4 di Thr-166 che riduce l'interazione RIN4-ROC1, che innesca l'attivazione di NLR RPM1 [158,181,182]. AvrRpt2 scinde proteoliticamente RIN4, e questo è rilevato da NLR RPS2 [183]. L'attivazione degli NLR RPM1 o RPS2 porta all'attivazione di ETI che porta alla resistenza HR e Pst nei genotipi vegetali contenenti questi geni NLR [158]. Il fosfomimetico T166D RIN4 è sufficiente per indurre l'attivazione di RPM1 in genotipi resistenti in assenza di effettori patogeni, dimostrando l'importanza di questo specifico PTM [184]. Insieme, questo dimostra che specifici modelli di fosforilazione sono essenziali affinché RIN4 agisca come un interruttore molecolare per regolare due bracci di difesa [177]. L'importanza di PTM e RIN4 è ulteriormente dimostrata poiché RIN4 è conservato nelle piante terrestri e S141 e T166 sono conservati evolutivamente negli ortologhi RIN4 [184,185].

RIN4 è una proteina intrinsecamente disordinata, tranne nelle regioni in cui si verificano modifiche post-traduzionali indotte da agenti patogeni; le regioni del disturbo consentono a RIN4 di agire come hub di segnalazione che può legare diverse proteine, il che è importante nella trasduzione del segnale [179,185,186]. La sostituzione di uno specifico residuo amminoacidico in RIN4 potrebbe potenzialmente interrompere una o poche interazioni proteiche specifiche per aumentare la resistenza alle malattie. È stato dimostrato utilizzando la spettroscopia di dicroismo circolare che la fosforilazione di RIN4 influisce sulla flessibilità delle proteine; forse le interazioni proteina-proteina potrebbero essere manipolate utilizzando PTM per influenzare la struttura RIN4 [179].

Xanthomonas oryzae pv. Oryzae, l'agente eziologico della peronospora batterica del riso, produce l'effettore della proteina esterna K (XopK) di Xanthomonas che ha l'attività della ligasi E3 Ub e ubiquitina direttamente una proteina correlata al PTI, la chinasi 2 del recettore embriogenico somatico del riso (OsSERK2), causandone la degradazione e l'interruzione di PTI [165]. La mutazione del presunto sito di legame dell'enzima di coniugazione dell'ubiquitina (E2) ha impedito la degradazione indotta da XopK di OsSERK2 e ha interrotto la virulenza dipendente da XopK [165]. Xanthomonas euvesicatoria (Xe) è l'agente eziologico della malattia batterica del peperone e del pomodoro e il suo effettore XopAE ha anche attività ligasica E3 Ub e inibisce l'immunità delle piante [187]. L'effettore Xe di tipo III XopAU agisce come una protein chinasi e interrompe la segnalazione MAPK dell'ospite attraverso la fosforilazione e l'attivazione di MKK2 [164].

L'effettore di Xanthomonas di tipo III, XopD, ha una proteasi SUMO C-terminale che rimuove SUMO dalle proteine ​​bersaglio o elabora i precursori SUMO [140]. Il fattore di risposta dell'etilene del pomodoro (ERF) SIERF4 è preso di mira da XopD per la deSUMOilazione, causando la destabilizzazione di SIERF4 e l'inibizione della produzione di etilene, necessaria per l'immunità mediata dall'etilene [166]. Sorprendentemente, XopD può anche agire come SUMO e Ubiquitina isopeptidasi [167].

XopDXcc8004, un effettore di tipo III di Xanthomonas campestris pv. campestris (Xcc) 8004, una forma più breve dell'effettore XopD che manca del dominio N-terminale, funziona come una proteasi SUMO e questa funzione è necessaria per suscitare le difese immunitarie dell'ospite [188]. Un obiettivo dell'attività di deSUMOilazione di XopDXcc8004 è HFR1, che è coinvolto nella repressione delle risposte di difesa delle piante.

Inoltre, XopDXcc8004 da Xcc8004 interferisce con il legame GA INSENSITIVE DWARF1 (GID1) indotto dall'acido gibberellico (GA) per ostacolare la formazione del complesso GA-GID1-DELLA e ritarda l'ubiquitinazione indotta e la degradazione proteasomica della proteina DELLA, un repressore di ga1-3 (RGA). Ciò influenza i livelli delle proteine ​​DELLA per ridurre al minimo lo sviluppo dei sintomi e promuovere la tolleranza alle malattie [168]. XopDXcc8004 è un soppressore di PTI attraverso la repressione della produzione di ROS innescata da flg22- [168]. L'interazione XopDXcc8004DELLA potrebbe essere coinvolta in questa soppressione del PTI poiché DELLA è coinvolta nelle risposte di difesa ormonale SA e JA [189]. Sebbene XopDXcc8004 contenga il presunto dominio SUMO conservato della cisteina proteasi degli effettori XopD, la deSUMOilazione XopDXcc8004 non è stata mostrata [168,169].

AvrBsT è un effettore simile a Xanthomonas YopJ, sebbene gli effettori simili a YopJ abbiano omologia con le proteasi SUMO, è stato identificato che AvrBsT ha attività di acetiltransferasi [170]. Nelle piante di peperone, AvrBsT prende di mira la SUBUNITÀ 8 proteasomica NON ATPASE (RPN8) potenzialmente per interrompere la funzione proteasomica e prende di mira il sensore di energia La chinasi correlata al saccarosio 1 (Snf1) (SnRK1) per interrompere la risposta immunitaria HR suscitata dall'effettore AvrBs1 nelle piante di peperone resistenti [169,171]. AvrXv4 è un altro effettore simile a Xanthomonas YopJ che riduce l'accumulo di coniugati proteici SUMO in Nicotiana benthamiana e pepe, in planta [172]. Può darsi che AvrXv4 abbia attività di proteasi SUMO, ma non è stato ancora dimostrato [169].

Gli effettori fungini e oomiceti agiscono anche per influenzare il sistema di ubiquitinazione dell'ospite per eludere l'immunità, ad esempio l'effettore Phytophthora infestans AVR3a, modificando e stabilizzando l'ospite E3 Ub ligasi CYS, MET, PRO e GLY PROTEIN 1 (CMPG1) per prevenire la normale degradazione del proteasoma CMPG1 e prevenire la morte cellulare [190]. L'effettore fungino AvrPiz-t del Magnaporthe oryzae (l'agente causale dell'esplosione del riso) prende di mira l'ANELLO E3 Ubiquitin Ligase AVRPIZ-T E AVRPIZ-T INTERACTING PROTEIN 6 (APIP6) per la degradazione per sopprimere il PTI nel riso [191].

I numerosi effettori che agiscono per interrompere l'immunità e promuovere l'insediamento di agenti patogeni alterando i PTM delle piante dimostrano quanto siano cruciali i PTM specifici per ospitare la resistenza ai patogeni. Ciò accerta che gli effettori patogeni interrompono i PTM in vari modi, evidenziando che la regolazione precisa dei PTM è importante nella difesa per prevenire l'insediamento del patogeno.

5. Compromessi crescita-difesa

Le piante controllano strettamente l'equilibrio tra crescita e difesa per ottimizzare la forma fisica e superare lo stress [192,193]. I compromessi crescita-difesa si verificano quando le piante limitano la crescita quando attivano le loro risposte di difesa [194]; questo potrebbe essere quello di riallocare le risorse limitate delle piante quando messe alla prova dallo stress. Sebbene in molti casi si ritenga che le risorse non siano un fattore limitante, i compromessi crescita-difesa derivano dall'attenta regolazione delle complesse reti di segnalazione che controllano il metabolismo delle piante [192,195-198].

SnRK1 e TOR (bersaglio della rapamicina) sono sensori di energia, agiscono come principali regolatori globali del metabolismo e svolgono un ruolo dinamico e importante nell'equilibrio tra crescita e difesa [199,200]. SnRK1 e TOR sono fondamentali nella risposta allo stress biotico per la sopravvivenza delle piante (Figura 3) [201]. SnRK1 e TOR sono complessi di protein chinasi che funzionano in gran parte in modo antagonistico e la loro diafonia è evolutivamente conservata [198,202]. Tipicamente TOR è attivato in condizioni ricche di nutrienti e promuove la crescita [203]. Le sottofamiglie SnRK1, SnRK2 e SnRK3 hanno tutte un ruolo nella promozione della difesa [204], ma SnRK1 è la più importante nella regolazione globale del metabolismo in risposta allo stato energetico [205]. SnRK1 viene attivato in risposta all'esaurimento energetico che spesso si verifica in condizioni di stress per ripristinare l'omeostasi energetica [206-211] (Figura 3).

Figura 3. Un modello semplificato della regolamentazione della crescita-difesa di SnRK1-TOR. Chinasi La chinasi correlata al saccarosio 1 (Snf1) (SnRK1) e il bersaglio della rapamicina (TOR) sono regolatori principali che rilevano lo stato energetico e lavorano in modo antagonistico per riprogrammare il metabolismo attraverso la fosforilazione di diversi bersagli. TOR è attivo in condizioni ricche di nutrienti per promuovere la traduzione e la crescita mentre inibisce l'autofagia. SnRK1 viene attivato nei periodi di esaurimento energetico spesso causato dallo stress, opera per promuovere le risposte di difesa e sopprime la crescita. SnRK1 fosforila e inattiva TOR direttamente per limitare la crescita e promuovere l'autofagia. TOR inibisce indirettamente le uscite SnRK1. Le linee continue indicano interazioni dirette e le linee tratteggiate indicano interazioni indirette.

I PTM sono fondamentali nelle attività e nella regolazione dell'equilibrio tra crescita e difesa di SnRK-TOR. I bersagli SnRK1 e TOR fosforilati innescano la riprogrammazione trascrizionale e metabolica [212-216]. SnRK1 e SnRK2 reprimono TOR come parte della loro soppressione della crescita fosforilando la proteina associata alla regolazione del componente TOR (RAPTOR); questa regolazione è evolutivamente conservata (Figura 3) [202,217]. SnRK e TOR sono integrati con la segnalazione ormonale, che può regolare la crescita [218]. Ad esempio, SnRK1 è un regolatore negativo della crescita della radice primaria mediata dall'auxina attivando la trascrizione SHORT HYPOCOTYL2/INDOLE ACETIC ACID 3 (SHY2/IAA3) [219], mentre l'auxina attiva la segnalazione TOR per promuovere la crescita [220].

SnRK1 è fosforilata e attivata da SnAK1 e SnAK2 (chinasi attivanti SnRK1-), note anche come chinasi 1 e 2 interagenti con geminivirus Rep (GRIK1 e GRIK2), che sono regolate durante lo sviluppo della pianta e l'infezione da geminivirus [221]. È stato dimostrato che SnAK1 e SnAK2 fosforilano e attivano la subunità catalitica Arabidopsis SnRK1.1/SnRK1 1/ KIN10 sul residuo conservato Thr175. Le fosfatasi ABA INSENSITIVE 1 (ABI1) e le PROTEINE FOSFATASI DI TIPO 2A (PP2CA) defosforilano e inattivano SnRK1 per regolarne l'attività [222].

SnRK1 provoca la riprogrammazione metabolica sotto l'attacco del patogeno (Figura 3), che promuove un'ampia resistenza alle malattie e la forma fisica delle piante a scapito della crescita, mentre TOR promuove la crescita e la proliferazione e sopprime i geni correlati alla difesa, compromettendo l'immunità [198]. Le piante con guadagno di funzione SnRK1 e perdita di funzione TOR tendono ad essere più resistenti, mentre le piante con guadagno di funzione TOR e perdita di funzione SnRK1 tendono ad essere più suscettibili; questo è il caso di virus, batteri, funghi e oomiceti [198,223,224].

A supporto di ciò, è stato rivelato che la sovraespressione di OsSnRK1a ha aumentato la resistenza contro entrambi i patogeni (emi)biotrofici e necrotrofici, ma ha soppresso la crescita e lo sviluppo normali, mentre il silenziamento di OsSnRK1a nelle linee RNAi ha aumentato la suscettibilità [225]. La sovraespressione di OsSnRK1a ha influenzato positivamente il percorso SA e ha potenziato la difesa JA per promuovere l'espressione genica correlata alla difesa. TOR riduce le difese della pianta antagonizzando l'azione di SA e JA e sopprimendo i geni correlati alla difesa [224,225]. SnRK1 è in grado di fosforilare proteine ​​virali come Rep per compromettere la replicazione virale [226]. Ciò evidenzia quanto SnRK1 sia significativo nelle risposte di difesa. La regolazione di SnRK1 e TOR può differire nei diversi tessuti [227,228].

SnRK1 è coinvolto nel potenziamento dell'immunità in vari modi attraverso la fosforilazione dei bersagli. SnRK1 fosforila WRKY3, un repressore dell'immunità, per promuoverne la degradazione proteasomica, aumentando la resistenza all'oidio [229]. La fosforilazione di SnRK1 a Ser83 e Ser112 innesca la degradazione di WRKY3 e, pertanto, le versioni mutate di S83 e S112 di WRKY3 erano più stabili rispetto alla proteina wild-type. L'omologo SnRK2.8 ha un ruolo importante nella regolazione del SAR, poiché la sua fosforilazione di NPR1 monomerico da parte di SnRK2.8 a Ser-589 e possibilmente Thr-373 facilita l'ingresso di NPR1 nel nucleo [230]. Sebbene l'attivazione di SnRK2.8 sia indipendente da SA, la monomerizzazione di NPR1 è innescata da cambiamenti redox innescati da SA [231,232]. SnRK1 è necessario per l'induzione dell'HR specifico di AvrBs1- e della morte cellulare programmata (PCD) [171].

Diversi agenti patogeni interrompono l'equilibrio SnRK1-TOR tra crescita e difesa; ad esempio, SnRK1 nel riso è preso di mira dall'effettore di Xanthomonas AvrBsT (Tabella 1), dimostrando che i patogeni possono interrompere questo regolatore chiave della difesa delle piante [171]. Allo stesso modo, i soppressori virali delle proteine ​​di silenziamento dell'RNA AL2 e L2 inibiscono l'attività di SnRK1 [208]. Anche la stabilità di SnRK1 è influenzata dai patogeni; l'effettore del Fusarium graminearum, l'agente causale del Fusarium head blight, la proteina secretoria orfana 24 (Osp24), accelera la degradazione di TaSnRK1 facilitando la sua associazione con il proteasoma dell'ubiquitina-26S [233]. Allo stesso modo, il percorso TOR può essere attivato a beneficio dei patogeni; ad esempio, la proteina effettrice TAV del virus del mosaico del cavolfiore si lega a TOR, promuovendone l'attività e portando alla fosforilazione della RIBOSOMAL PROTEIN S6 KINASE (S6K1), che promuove il ripristino della traduzione e la replicazione virale [234].

Tuttavia, favorire l'attività del percorso TOR non è sempre benefico per l'attività del patogeno; l'effettore AWR5 di Ralstonia solanacearum inibisce la segnalazione TOR, forse consentendo all'autofagia di procedere [235]. SnRK1 agisce a monte di TOR come regolatore positivo dell'autofagia nell'Arabidopsis e TOR inibisce l'autofagia in condizioni ricche di nutrienti attraverso la fosforilazione indotta da TOR delle proteine ​​AUTOPHAGY RELATED 1 e 3 (ATG1 e ATG13) [236]. Quando TOR è inibito, l'autofagia procede [237]. L'autofagia selettiva coopera con il sistema ubiquitina-proteasoma per contribuire all'immunità, ma l'autofagia non regolata potrebbe giovare ai patogeni [238,239].

Oltre alla fosforilazione da parte delle chinasi SnRK1 e TOR, la regolazione della difesa della crescita dipende anche dalla SUMOilazione, insieme all'ubiquitinazione. Il complesso SnRK1 è SUMOilato in più posizioni da SIZ1 [240]. SUMOylated SnRK1 subisce l'ubiquitinazione e la degradazione proteasomica per modulare la segnalazione di SnRK1 in Arabidopsis, mentre il mutante siz1-2 null e il mutante siz1 cataliticamente inattivo mostrano l'accumulo e l'iperattivazione di SnRK1. È stato dimostrato che SnRK1 innesca la propria SUMOilazione e il degrado mediato dall'ubiquitinazione come parte di un ciclo di feedback negativo; questo assicura che la segnalazione SnRK1 sia attivata al livello preciso, evitando l'iperattivazione delle risposte di difesa. La dipendenza dall'attività di SnRK1 che ne controlla la degradazione è stata confermata dalla scoperta che le varianti SnRK fosfo-inattive1 1 non sono state degradate come di consueto, ma la normale degradazione di SnRK1 1 si è verificata in SnRK1 1 "SUMO mutanti mimetici" che imitano il SUMOilato di SnRK1 attraverso la fusione traslazionale [240,241].

A valle di SnRK1, attraverso il dominio della funzione sconosciuta (DUF)581-2, è stato dimostrato che due proteine ​​DELLA, insensibili all'acido gibberellico (GAI) e RGA, sono stabilizzate (Figura 4) [242]. I DELLA sono soppressori della crescita e agiscono per sopprimere i geni GA-reattivi e i geni biosintetici GA e promuovono componenti di segnalazione GA negativi per mantenere l'omeostasi GA [243]. Arabidopsis contiene cinque geni della proteina DELLA (RGA, GAI, RGA-Like1 (RGL1), RGL2 e RGL3) che hanno alcune funzioni sovrapposte nella repressione delle risposte GA [242]. I segnali di stress inibiscono la degradazione da parte di GA, incluso l'elicitore PAMP flg22 [244]. I DELLA sono hub di segnalazione regolatori che integrano i segnali ambientali e sono regolati principalmente a livello post-traduzionale con SUMOilazione, ubiquitinazione e fosforilazione come PTM critici dei DEI (Figura 4) [245-247]. GA, un fitormone che promuove la crescita, allevia la repressione dei geni mediata dalla DELLA attraverso il legame di GA al suo recettore GID1 che innesca l'ubiquitinazione e la degradazione proteasomica dei DELLA [248-254].

Figura 4. Interazioni DELLA con PTM in crescita e difesa. Quando l'acido gibberellico (GA) si accumula, si lega a GA INSENSITIVE DWARF1 (GID1) che poi si lega a DELLA, innescando l'ubiquitinazione di DELLA e la degradazione proteasomica e consentendo l'espressione e la crescita genica GA-sensibile. DELLA è stabilizzato in vari modi per promuovere la difesa e limitare la crescita. In difesa, i livelli di GA sono ridotti, il che riduce il degrado DELLA DELLA GA-mediato. DELLA è stabilizzato dalla fosforilazione. Indipendente da GA, DELLA è stabilizzato da SUMOylation che blocca la degradazione di GID1 su DELLA non SUMOylated. SnRK stabilizza DELLA attraverso la proteina intermedia DUF581-2. DELLA forma un ciclo di feedback negativo per controllare l'accumulo di SA. P, gruppo fosfato. S, SUMO. Ub, Ubiquitin. Le linee continue indicano interazioni dirette; la linea tratteggiata indica un'interazione positiva suggerita.

SnRK1.1/SnRK1 1/KIN10 reprime la biosintesi GA fosforilando e stabilizzando il fattore di trascrizione FUS3 [255-257]. Al contrario, TOR può promuovere la segnalazione GA poiché i mutanti privi della proteina componente TOR RAPTOR1B hanno una ridotta espressione di GID1 e livelli aumentati della proteina DELLA RGA, suggerendo che TOR potrebbe promuovere la segnalazione GA [258]. È interessante notare che circa il 28,6% dei geni indotti da SnRK1.1 era anche sovraregolato dalla proteina DELLA RGA [259].

I segnali di stress, inclusa l'infezione da agenti patogeni, stabilizzano le proteine ​​DELLA prevenendo la degradazione mediata dall'ubiquitina che contribuisce all'inibizione della crescita [189,244,245]. I DEI causano suscettibilità ai biotrofi e resistenza ai necrotrofi alterando l'equilibrio della segnalazione dell'acido salicilico rispetto all'acido jasmonico in Arabidopsis [189]. Contrariamente all'Arabidopsis, il riso DELLA Slender Rice1 (SLR1) promuove la resistenza ai patogeni del riso (emi)biotrofici ma non necrotrofici [260]. Le MeDELLA di manioca (Manihot esculenta) si sono dimostrate regolatrici positive della resistenza alle malattie contro la peronospora batterica della manioca [261]. Ciò dimostra che i DELLA sono importanti regolatori positivi della difesa in diverse specie.

SUMOylation di DELLA si verifica nello stress e SUMOylated DELLA si lega a GID1 tramite il suo motivo di interazione SUMO (SIM). Ciò si verifica indipendentemente da GA, che sequestra GID1 per prevenire il degrado di GA (Figura 4) [262,263]. Ciò porta ad un accumulo di DELLA non SUMOilato che causa la repressione delle risposte GA e la restrizione della crescita. Alcuni fenotipi del mutante della proteasi SUMO di Arabidopsis ots1ots2 sono mediati attraverso DELLA poiché il knockout di una proteina DELLA ripristina lo sfondo del doppio mutante ots1ots2 al fenotipo WT [264]. Livelli di DELLA più elevati si accumulano nel doppio mutante ots1ots2, il che mostra che OTS1/2 deSUMOylate DELLA, che destabilizza i DEI.

Tuttavia, la stabilizzazione DELLA causa livelli elevati di DELLA e ridotta fertilità [264]. Il riso DELLA SLR1 subisce anche SUMOilazione, che altera la sua interazione con specifici fattori di trascrizione per migliorare la tolleranza allo stress abiotico [265]. C'è un suggerimento che SLR1 SUMOylation possa attenuare la penalità della tolleranza allo stress salino sulla resa delle piante [265], per mantenere la resa e la resistenza alle malattie sotto stress patogeno nel riso, che sarebbe interessante da esplorare. Inoltre, la mutazione del sito SIM in GID1 nel riso o in Arabidopsis potrebbe essere manipolata per mettere a punto la degradazione DELLA DELLA [263]. La stabilità DELLA è anche aumentata dalla fosforilazione (Figura 4); nel riso, EARLIER FLOWERING 1 (EL1) stabilizzato SLR1 [266]. In Arabidopsis, è stato dimostrato che la proteina fosfatasi defosforila DELLA e promuove la degradazione indotta da GA [267].

DELLA proteina RGL3 regola positivamente la resistenza mediata da JA ai necrotrofi [268]. I DEI promuovono le risposte di difesa JA competendo con MYC2 per il legame alle proteine ​​JAZ; questo solleva MYC2 dalla soppressione di JAZ per consentire alle risposte JA dipendenti da MYC2- di contribuire all'equilibrio tra crescita e difesa [269,270]. Analogamente alle risposte della proteina JA, MdSnRK1.1 fosforila la proteina MdJAZ18 nelle mele per facilitare la sua degradazione mediata dal proteasoma 26S che è probabilmente rilevante nella difesa [271]. Curiosamente, SnRK1 media il legame proteasomico di una ligasi ubiquitina SCF vegetale che può modulare le risposte JA. L'infezione del patogeno stabilizza le proteine ​​DELLA RGA e RGL3 per limitare la crescita in modo parzialmente EDS1-dipendente [244]. Tuttavia, DELLA interagisce anche direttamente con EDS1 per ridurre insieme la produzione di SA come parte di un meccanismo di feedback negativo per modulare l'accumulo di SA e prevenire un'eccessiva risposta di difesa (Figura 4) [244]. I DEI alterano l'equilibrio della segnalazione dell'acido salicilico rispetto all'acido jasmonico e la regolazione DELLA da parte dei PTM è importante nell'equilibrio crescita-difesa [189].

Potrebbe esserci il potenziale per controllare elementi specifici di questa rete di difesa della crescita attraverso la manipolazione di obiettivi di fosforilazione di SnRK/TOR o altri PTM interagenti, per separare le attività antagoniste nella crescita e nella difesa per produrre [272]. Oltre all'antagonismo tra SnRK1 e TOR, molti altri componenti hanno percorsi antagonisti per bilanciare crescita e difesa; ad esempio, la cascata MAPK MEKK1-MKK1/2-MPK4 regola negativamente la morte e l'immunità delle cellule vegetali a valle dell'attivazione PAMP dei PRR, mentre le cascate MPK3/6 regolano positivamente l'immunità [61].

Le piante mitigano i compromessi crescita-difesa attraverso metodi che includono la difesa inducibile tessuto-specifica e il priming [273]. I percorsi di difesa possono essere "preparati" per un'attivazione più rapida e più forte ai successivi attacchi di agenti patogeni e gli stati innescati possono essere trasmessi alla prole [274]. L'innesco di elicitori come flg22 e chitina potrebbe essere mediato manipolando i PTM su componenti come NPR1. I MAPK potrebbero potenzialmente indurre uno stato innescato, ma sono necessarie ulteriori indagini [275]. I cambiamenti nella fosforilazione potrebbero potenzialmente modificare l'equilibrio crescita-difesa dopo il priming. Utilizzando l'agente di innesco B-AMINOBUTYRIC ACID (BABA), una mutazione nella chinasi eIF2 -fosforilante GENERAL CONTROL NON-DEREPRESSIBLE 2 (GCN2, nota anche come PBL27) non ha influenzato l'immunità indotta da BABA, ma ha alleviato la repressione della crescita indotta da BABA [ 276]. È interessante notare che TOR blocca l'azione di GCN2 per promuovere la traduzione, poiché GCN2 inibisce l'inizio della traduzione al rilevamento degli RNA di trasferimento non caricati che si accumulano durante la limitazione dell'amminoacido per mantenere l'omeostasi dell'amminoacido nella carenza di azoto [277]. La funzione GCN2 potrebbe essere conservata tra le specie vegetali [206].

Il metabolismo ormonale deve essere strettamente controllato nella giusta situazione, con la maggior parte degli ormoni vegetali coinvolti che interagiscono con l'immunità [278]. SA e JA sono tipicamente antagoniste, sebbene SA e JA possano occasionalmente agire anche in sinergia [279]. Diversi ormoni controllano l'equilibrio tra crescita e difesa: auxina e SA sono antagoniste, con auxina che promuove la crescita e SA che promuove la difesa [280,281]. JA inibisce la crescita come parte della difesa [282] ed esiste un crosstalk tra la segnalazione di brassinosteroidi, auxine e gibberellina.

L'inibizione della fotosintesi è frequentemente osservata come parte della risposta di difesa; la riduzione della fotosintesi può far morire di fame i patogeni biotrofici di nutrienti [283]. Tuttavia, le piante mutanti jazQ (jaz quintuple) fitocromo B (phyB) crescono e si difendono bene contemporaneamente; il tasso fotosintetico dell'intera pianta nelle piante jazQ phyB era simile al WT, dimostrando che forse la manipolazione delle proteine ​​vegetali può alterare l'equilibrio di crescita e difesa e che i percorsi ormonali sono importanti.

La crescita mediata da BR può antagonizzare la segnalazione immunitaria innata [284]. Tuttavia, il trattamento con Brassinolide (BL), il principale brassinosteroide, ha indotto resistenza a una serie di malattie nel tabacco e resistenza all'esplosione del riso e alla peronospora batterica nel riso [285]. Inoltre, i BR possono aumentare la resistenza al virus del mosaico del cetriolo [286]. Il trattamento BR aumenta la resistenza ai necrotrofi e agli insetti attraverso una maggiore risposta JA [287]. BAK1 è coinvolto nella segnalazione PTI e brassinosteroide durante lo sviluppo, mentre BIK1 regola positivamente l'immunità delle piante, ma regola negativamente la segnalazione BR [288].

Come accennato in una sezione precedente, i mutanti BAK1 T450A e C408Y mostrano entrambi gravi difetti nella difesa immunitaria ma un normale fenotipo di crescita, dimostrando che i modelli di fosforilazione dei partner RLK da parte di BAK1 potrebbero regolare selettivamente più percorsi dipendenti da BAK 1- [46]. È interessante notare che la proteina bak1elg (allungata) con guadagno di funzione determina un aumento della segnalazione BR e una risposta compromessa alla flagellina [289]. Ulteriori mutazioni con guadagno di funzione potrebbero potenzialmente aumentare la segnalazione di difesa senza influenzare la crescita, sebbene i BR antagonizzino l'immunità senza BAK1 [284].

Significativamente, IDEAL PLANT ARCHITECTURE1 (IPA1)/WEALTHY FARMER'S PANICLE (WFP)/Rice SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN-LIKE 14 (OsSPL14) è stato identificato per migliorare la crescita correlata alla resa e la resistenza alle malattie, e i PTM sono fondamentali per la sua regolazione [290,291 ]. OsSPL14 regola positivamente la ramificazione delle pannocchie e il numero di grani per pannocchia nella fase riproduttiva e controlla negativamente la ramificazione dei germogli (accestimento nel riso) nella fase vegetativa, regolando l'espressione di TEOSINTE BRANCHED1 (TB1) e DENSE PANICLE 1 (DEP1) [290,292]. La fosforilazione e l'ubiquitinazione sono necessarie per l'attività e la regolazione di OsSPL14. OsSPL14 è fosforilato al residuo serina163 dopo l'infezione da patogeno, che cambia la sua specificità di legame al DNA per attivare l'espressione di WRKY45, che quindi migliora la resistenza alla malattia [291]. OsSPL14 ritorna allo stato non fosforilato entro 48 ore dall'infezione per attivare i geni correlati alla crescita e all'alto rendimento [291]. Una ligasi E3 Ub anulare, IPA1 INTERACTING PROTEIN1 (IPI1), svolge un'ubiquitinazione tessuto-specifica che promuove la degradazione di OsSPL14 nelle pannocchie, mentre stabilizza OsSPL14 negli apici dei germogli [293].

Ciò è causato dall'ubiquitinazione di OsSPL14 da parte dell'IPI1 con diverse catene di poliubiquitina, aggiungendo catene di poliubiquitina legate al K48- nelle pannocchie per la degradazione di OsSPL14 e catene di poliubiquitina legate al K63- nell'apice del germoglio per controllare l'architettura della pianta [293]. L'allele ipa1-1D naturale ha una sostituzione nucleotidica nel sito bersaglio OsmiR156, che gli consente di resistere alla scissione del trascritto del microRNA, con conseguente maggiore espressione nelle pannocchie [294,295]. Ciò ha consentito un aumento della resa del 10% senza malattia blastica, fino al 40% con malattia blastica rispetto ai controlli nelle prove sul campo [291]. La sovraespressione di IPA1/OsSPL14 ha anche migliorato la resistenza alle malattie contro la peronospora batterica, ma è stata osservata una riduzione della resa; tuttavia, la resa è stata ripristinata durante l'espressione di OsSPL14 con il promotore OsHEN1 inducibile dal patogeno [296]. Questa fosforilazione passa all'espressione genica di difesa che viene invertita dopo 48 ore ed è essenziale per la funzione OsSPL14, combinata con l'ubiquitinazione specifica del tessuto che controlla la stabilità. Questo collegamento tra K48 e K63 dell'ubiquitina necessita di ulteriori indagini per indagare quanto sia diffuso questo regolamento, insieme al suo potenziale di manipolazione.

Gli omologhi della proteina SPL hanno funzioni diverse ma condividono un dominio di legame al DNA altamente conservato (dominio SQUAMOSA-PROMOTER BINDING PROTEIN (SBP)) e un residuo di serina conservato che funge da sito di fosforilazione [297]. L'analisi filogenetica ha identificato che il sottogruppo SPL III conteneva proteine ​​SPL ortologhe, tra cui OsSPL14 (IPA1), OsSPL7 e OsSPL17 dal riso; ZmSBP8, ZmSBP30 e ZmSBP6 dal mais, e AtSPL9 e AtSPL15 da Arabidopsis, che svolgono tutti una funzione simile nella regolazione della ramificazione vegetativa/riproduttiva in varie specie di piante [298-300]. Nelle piante che sovraesprimono AtSPL9-, c'era un maggiore accumulo di ROS e trascrizioni dei geni della via di segnalazione dell'acido salicilico basale, rispetto alle piante Col-0 wild-type; quindi, AtSPL9 potrebbe avere un ruolo nella resistenza alle malattie [301]. Queste proteine ​​​​SPL del mais potrebbero essere studiate per scoprire se il controllo della fosforilazione-ubiquitinazione ha qualche ruolo nella resistenza e nella crescita delle malattie, simile a OsSPL14 (Figura supplementare S1).

Per migliorare la resistenza delle piante alle malattie, è importante ottimizzare l'equilibrio tra crescita e difesa. I compromessi della crescita potrebbero non essere inevitabili con una maggiore immunità e resistenza alle malattie con la giusta strategia [195,197]. È fondamentale per migliorare la resistenza alle malattie ridurre la colonizzazione dei patogeni e le perdite di raccolto, riducendo al minimo i compromessi nella crescita e nella riproduzione per mantenere e massimizzare la resa in un ambiente dinamico. L'alterazione di specifici PTM proteici potrebbe potenzialmente promuovere determinate interazioni per consentire contemporaneamente una maggiore resistenza alle malattie e una crescita, consentendo al tempo stesso la crescita al momento giusto; metodi saranno esplorati nella sezione successiva.

6. Sfruttare i PTM per produrre colture resistenti alle malattie

La selezione delle colture si basa su caratteristiche legate alla resa; la diversità dei geni di resistenza alle malattie nella maggior parte delle piante coltivate oggi è stata ridotta di conseguenza [302]. I geni NLR sono stati ampiamente utilizzati ma spesso non sono durevoli a causa dell'evoluzione dei patogeni. La piramide dei geni NLR può essere una soluzione per la durabilità, ma può causare una crescita e una resa ridotte in assenza di infezione da patogeni [296]. L'introduzione del gene NLR può portare a un'eccessiva risposta delle risorse umane, all'attivazione inappropriata dei geni di difesa o alla regolazione dei ROS [65,303-305]. Sono necessarie ulteriori ricerche sulla resistenza duratura alle malattie senza compromettere la resa. Diversi potenziali progressi devono essere testati in futuro. L'editing del genoma, in particolare il sistema CRISPR/Cas (brevi ripetizioni palindromiche a intervalli regolari raggruppati in cluster) può generare knockout di, ad esempio, "geni di suscettibilità"; tuttavia, ciò può avere effetti dannosi se una proteina è multifunzionale [306]. L'uso di CRISPR/Cas e la conoscenza dei PTM consentono il cambiamento dei residui di interazione effettrici critici dei bersagli patogeni per prevenire l'attaccamento del PTM patogeno e i metodi di patogenicità (Figura 5).

La manipolazione dei PTM può essere sfruttata per aumentare la resistenza alle malattie delle piante; ad esempio, nel riso, la sovraespressione della versione fosfomimetica di OsWRKY53 ha aumentato la resistenza al colpo di riso, rispetto alla sovraespressione della versione WT di OsWRKY53 [307]. La cascata MAPK OsMKK4-OsMPK3/OsMPK6, che funziona nella risposta ai PAMP fungini nel riso, fosforila il cluster SP (serina-prolina) di OsWRKY53 in vitro e probabilmente in vivo [307]. Il cluster SP è un cluster altamente conservato tra diverse proteine ​​WRKY di gruppo I nelle piante superiori e la versione fosfomimetica di OsWRKY53 ha tutti e sei i residui Ser nel cluster SP sostituiti con Asp (OsWRKY53SD) che imita la fosfoserina [308]. La coespressione di OsWRKY53 con un OsMKK4 costitutivamente attivo ha aumentato l'attività di transattivazione di OsWRKY53 in modo dipendente dal cluster SP; inoltre, il fosfomimetico OsWRKY53 aveva una maggiore attività di transattivazione rispetto alla versione WT. Questi insieme suggeriscono che la fosforilazione del cluster SP aumenta l'attività di transattivazione [307].

È interessante notare che la fosforilazione di OsWRKY53 da parte di OsMPK6 non ha alterato la sua attività di legame del DNA agli elementi W-box. Le piante di riso fosfomimetiche OsWRKY53SD-OX avevano una difesa potenziata contro l'esplosione del riso e un'elevata attivazione dei geni di difesa, compresi i geni PR, rispetto alle piante OsWRKY53-OX. Inoltre, è stato riscontrato che le piante che sovraesprimono il fosfomimetico OsWRKY53 hanno una crescita e uno sviluppo normali. Questa strategia ha un potenziale per la produzione agricola; tuttavia, sarebbe necessario eseguire prove di resa, seguite da prove sul campo su larga scala. I mimic PTM non sono perfetti e quindi potrebbero avere effetti inaspettati [307].

I PTM subiti da una proteina dipendono dalla sequenza proteica e da altre modalità di regolazione. Pertanto, le varianti della sequenza genetica influenzano la sequenza proteica e quindi i PTM. Le varianti di sequenza possono essere associate alla resistenza alle malattie attraverso i PTM. I database SNP stanno iniziando ad aumentare in particolare per il riso, e ci sono database SNP associati ai tratti per SNP correlati allo stress [309,310]. La previsione di come gli SNP possono influenzare i PTM sta migliorando, il che potrebbe essere utile per prevedere le interazioni proteiche, l'attività enzimatica e il turnover proteico di diversi alleli genici, nonché per dirigere ipotesi, scoprire i meccanismi specifici e comprendere i potenziali effetti pleiotropici [311 ]. Negli animali, i PTM-SNP associati alla malattia sono stati identificati e assemblati in un database; quindi, un'idea simile potrebbe formarsi per le piante coltivate [312,313].

I progressi biotecnologici consentono un approccio alla scoperta a livello di proteoma, nonché un approccio razionale e mirato nella produzione e nella sperimentazione di nuove linee di colture. Gli approcci biotecnologici vanno anche oltre la dipendenza dalle variazioni alleliche naturali esistenti presenti nel germoplasma sessualmente compatibile [314]: l'applicazione dell'ingegneria genetica è uno dei principali progressi tecnologici degli ultimi decenni [315]. L'ingegneria genetica ha in genere comportato il knockout o la sovraespressione di geni per modificare i percorsi di risposta della difesa, ma ciò può causare compromessi in termini di resa e/o qualità. C'è una sfida per evitare questa crescita e produrre compromessi con miglioramenti nella resistenza alle malattie [316]. Infine, l'editing del genoma, in particolare CRISPR/Cas, è diventato lo strumento biotecnologico più importante che aveva un grande potenziale e recentemente è sempre più utilizzato [317].

Gli editor di base o gli editor principali, come parte del sistema CRISPR/Cas, saranno utili per modificare i PTM critici delle proteine ​​​​correlate alla difesa attraverso la modifica dei nucleotidi per alterare specifici amminoacidi. L'alterazione degli amminoacidi potrebbe aumentare la stabilità dei PTM o abolire i PTM, alterando così la funzione proteica, l'interazione e le risposte a valle per produrre piante e colture resistenti alle malattie (Figura 5). Ad esempio, l'alterazione del sito dell'ubiquitina potrebbe aumentare la stabilità dei componenti di segnalazione immunitaria, purché siano inattivi fino a quando non vengono attivati ​​dalla successiva fosforilazione/SUMOilazione al momento opportuno per evitare penalizzazioni della crescita.

Gli editor di base potrebbero rivelarsi utili per effettuare sostituzioni di aminoacidi nelle proteine ​​​​correlate alla difesa. L'editing di base non comporta rotture a doppio filamento e presenta una Cas9 nickase (Cas9n) (o Cas9 cataliticamente inattivo) fusa con deaminasi nucleosidiche [318-320]. Gli editor di basi di citosina (CBE) e gli editor di basi di adenina (ABE) attualmente consentono quattro tipi di conversioni nucleotidiche (da C a T, da T a C, da A a G e da G ad A) [321]. Recentemente, utilizzando la variante Cas9 ingegnerizzata, Cas9-NG, fusa con editor di base, sono stati identificati con successo mutanti con guadagno di funzione BR-SIGNALING KINASE 1 (OsBZR1) che trasportano conversioni C>T. Inoltre, le conversioni A > G sono state indotte in OsSERK2 con una percentuale di successo del 9-40% [321]. La conversione A > G ha preso di mira il sito di fosforilazione in OsSERK2, che dovrebbe modificare la segnalazione a valle nello sviluppo o nella difesa [322].

Le conversioni C > T eseguite in OsBZR1 hanno causato una sostituzione P234L, che si prevede produrrà l'ortologo dell'allele Arabidopsis con guadagno di funzione stabilizzante, bzr-1d. Le piante con l'allele bzr-1d hanno una maggiore defosforilazione di BZR1, una migliore segnalazione BR e una crescita mediata da BR [323,324]. È stato riportato che questa mutazione BZR1-1D aumenta la qualità del pomodoro [325] e l'allele bil1-1D/bzr1-1D aumenta la resistenza ai tripidi in Lotus japonicus, che causano danni e trasmissione malattia probabilmente attraverso l'aumento dei livelli di JA [287]. L'allele BZR-1D potrebbe potenzialmente bilanciare crescita e resa poiché l'aumento della segnalazione BR porta a una maggiore produzione di semi [326]. Tuttavia, la resistenza alla malattia deve essere mantenuta nonostante l'aumento della segnalazione BR, potenzialmente utilizzando combinazioni di promotori, sequenze codificanti, vettori e background genotipici, che è complesso e quindi necessita di ulteriori ricerche [324].

La modifica di OsSERK2 è promettente per bilanciare difesa e rendimento, poiché OsSERK2 regola la crescita mediata da brassinosteroidi e la segnalazione immunitaria PRR [322]. Specifici siti di fosforilazione in AtBAK1 mediano interazioni e risposte; quindi, è probabile che questo sia il caso delle colture [46]. OsSERK2 regola positivamente l'immunità mediata da XA21, XA3 e OsFLS2 che sono chinasi recettoriali strutturalmente simili [322]. OsSERK2 è necessario per la resistenza mediata da Xa21- del riso a Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo) e al fungo emi-necrotrofico Magnaporthe oryzae. OsSERK1 (OsBAK1) ha una maggiore somiglianza con AtBAK1 ed è importante nella crescita e nello sviluppo delle piante, ma OsSERK1 non è richiesto per l'immunità del riso a Xoo o M. oryzae [327]. OsSERK2 subisce transfosforilazione bidirezionale con XA21 in vitro e forma un complesso costitutivo con XA21 in vivo, a differenza dell'interazione di BAK1 con FLS2 ed EFR che si verifica dopo il legame del ligando, e BAK1 esegue la transfosforilazione piuttosto che FLS2 o EFR [322]. Gli effetti del modello di fosforilazione devono essere esplorati ulteriormente.

Il prime editing è un nuovo entusiasmante strumento che consente l'introduzione di tutti i tipi di mutazione, inclusi inserimenti, delezioni e tutti i 12 tipi putativi di conversioni da base a base [328]. I prime editor, che sono fusioni CRISPR-Cas9 nickase-reverse transcriptase programmate con RNA guida di prime editing (pegRNA), possono modificare le basi senza DNA del donatore o rotture a doppio filamento e sono stati dimostrati nelle cellule di riso e grano [328,329]. Le mutazioni identificate o previste per migliorare la resistenza alle malattie possono essere raggiunte nelle colture con tecniche di prime editing, sebbene l'efficienza richieda miglioramenti. I siti di fosforilazione Ser/Thr, le lisine Ubi e SUMO sono sostituiti dall'alanina per interrompere il sito, ma anche le mutazioni puntiformi in altre parti della proteina possono alterare la struttura o le interazioni proteiche e quindi funzionare [46,118,291]. La sostituzione dei residui importanti che circondano un sito PTM, piuttosto che il sito dell'amminoacido di attacco, potrebbe indebolire o rafforzare l'attaccamento PTM, piuttosto che abolirlo completamente. Le sostituzioni potrebbero alterare la forza delle interazioni enzima-substrato o altre interazioni di segnalazione [56,146,330].

Una strategia per migliorare la resistenza alle malattie potrebbe essere quella di prevenire la modifica post-traduzionale dell'effettore; l'editing del genoma potrebbe essere utilizzato per modificare i residui aminoacidici critici mirati o indotti da effettori patogeni a subire l'attaccamento PTM (Figura 5) [185,306]. Ad esempio, l'editing di base o l'editing principale potrebbero essere utilizzati per sostituire i siti PTM critici in RIN4 per aumentare l'immunità nelle piante coltivate. Ad esempio, un modo potrebbe essere quello di modificare il sito di fosforilazione Thr-166 conservato per superare la suscettibilità agli effettori patogeni tra cui AvrB e Rpst2. Thr-166 contrasta la fosforilazione indotta da flg22- di S141 per sopprimere la difesa quando è attivata: il mutante RIN4 phospho-null T166A mantiene ancora la soppressione attivata da flg22- di Pseudomonas syringae pv. proliferazione del ceppo di pomodoro DC3000 [177]. Allo stesso modo, la sostituzione di T166A potrebbe non portare a un'iperattivazione della difesa poiché RIN4 è un regolatore negativo del PTI fino a quando la fosforilazione di S141 non provoca la derepressione del PTI [177,185].

I promotori inducibili dai patogeni come OsHEN1 [296], OsCYP76M7 [331] e TBF1 (TL1-BINDING FACTOR) [332] possono rivelarsi utili per sovraesprimere gli enzimi del macchinario PTM tra cui chinasi/fosfatasi e proteasi SUMO che sono regolatori positivi dell'immunità, in particolare sotto stress, o in tessuti specifici per aumentare la resistenza alle malattie nel tempo necessario per evitare i costi di crescita associati a risposte di difesa costitutivamente attivate, ad esempio, per migliorare l'espressione di SnRK1 specificamente nelle regioni colpite dallo stress o ridurre l'espressione di PUB12/13 in particolare sotto stress per alleviare l'autoimmunità del mutante pub13 [86]. Le tecniche CRISPR/Cas possono essere utilizzate per le sostituzioni di sequenza utilizzando HOMOLOGY DIRECTED REPAIR (HDR) per sostituire o modificare un promotore specifico per geni inducibili da stress o tessuto-specifici [333,334]. Tuttavia la sostituzione della sequenza HDR ha una bassa efficienza negli impianti; pertanto, l'efficienza deve essere migliorata.

Cas9 cataliticamente inattivo o morto (d-Cas9) guidato da un promotore inducibile o tessuto-specifico potrebbe impedire la trascrizione di particolari geni del macchinario PTM per aumentare l'immunità con agenti patogeni rilevati in un particolare tipo di cellula. Ciò potrebbe ridurre la trascrizione di una ligasi ubiquitina PUB, proteasi SUMO e specifica chinasi/fosfatasi per controllare l'attaccamento/rimozione di specifici PTM per ridurre l'attivazione/inattivazione o il ricambio di specifiche proteine ​​di difesa durante lo stress del patogeno [335]. Le proteasi SUMO e le ligasi ubiquitina forniscono specificità nei rispettivi percorsi e, pertanto, la modifica dell'espressione di questi enzimi potrebbe fornire una risposta più specifica [48,336-338].

L'uso dell'editing del genoma accelera il miglioramento genetico delle colture per sequenze specifiche che generano tratti benefici. L'editing genetico può anche introdurre nuove modifiche non trovate all'interno del germoplasma riproduttivamente compatibile, ma a differenza dell'ingegneria genetica, il transgene per il costrutto CRISPR può essere separato dopo un'integrazione stabile o può essere consegnato transitoriamente [339].

7. Conclusioni e prospettive

Tutti gli aspetti della difesa delle piante utilizzano PTM; anche il significato dei PTM è chiaro poiché gli effettori patogeni interrompono la regolazione dei PTM come parte della loro virulenza. Le strategie previste per aumentare la resistenza alle malattie includono la sostituzione di specifici residui di amminoacidi per stabilizzare o destabilizzare la formazione di PTM specifici per un controllo preciso della funzione proteica (Figura 5). Una sfida sarà quella di migliorare l'efficienza delle tecniche CRISPR/Cas come gli editor di base e gli editor principali che, al momento, mostrano una bassa efficienza. L'equilibrio tra crescita e difesa è fondamentale: favorire la difesa non significa necessariamente che la crescita debba essere penalizzata se si considera un'attenta manipolazione dei PTM per controllare le interazioni proteiche. Una delle principali sfide è tradurre la ricerca di laboratorio in colture in campo che possono sperimentare condizioni diverse e mutevoli. È necessario condurre prove sul campo, poiché una maggiore resistenza a una particolare malattia potrebbe avere effetti negativi sulla capacità delle piante di rispondere a diversi tipi di agenti patogeni, stress abiotici e microrganismi benefici o potrebbe influire sulla qualità del raccolto [114,340-343]. Tuttavia, cosa importante, conoscere i meccanismi dettagliati della resistenza alle malattie dovrebbe aumentare il successo di nuove linee di colture resistenti sul campo.

È ancora tecnicamente difficile identificare e dimostrare le funzioni proteina-PTM in vivo, ma i progressi nella sensibilità della proteomica miglioreranno il rilevamento dei numerosi PTM che sono dinamici o si verificano in bassa stechiometria [42,54]. La fosforilazione proteica è finora il PTM meglio caratterizzato nelle piante, con diversi database disponibili, incluso il visualizzatore PTM che ha identificato 326.848 siti in 89.022 proteine ​​[139,344]. Una limitazione è che la previsione del sito di attacco SUMO e dell'ubiquitina può essere difficile poiché non tutti i siti SUMO corrispondono al motivo del consenso [345] e il modello dei siti di ubiquitinazione non è conservato in specie diverse [346].

Curiosamente, l'ubiquitina stessa subisce la fosforilazione e altri PTM; questo, combinato con l'architettura delle catene di ubiquitina, rende l'ubiquitinazione più complessa [78,347]. L'ubiquitina e il SUMO si legano ai residui di lisina, ma anche altri PTM si legano alla lisina, come l'acetilazione della lisina con l'emergere di funzioni di acetilazione delle proteine ​​istoniche e non istoniche [348,349]. La regolazione dell'acetilazione è importante nella difesa; ad esempio, effettori fungini e batterici interrompono l'acetilazione dell'ospite per promuovere la virulenza, come AvrBsT che acetila proteine ​​come ACIP1 per alterare la loro funzione di difesa [170,350] (Tabella 1). L'acetilazione della lisina è reversibile, contrariamente all'acetilazione N-terminale che regola la stabilità della proteina NLR SNC1, possibilmente attraverso il sistema proteasomico mediato dall'ubiquitina [117]. Pertanto, il crosstalk PTM nell'immunità delle piante necessita di ulteriori esplorazioni.

In particolare, sia le interazioni proteina-proteina che i PTM spesso dipendono da piccole regioni di uno o pochi residui amminoacidici cruciali [351]. In futuro, CRISPR/Cas base editors o prime editors [318,329] hanno un grande potenziale per produrre mutazioni puntiformi precise e mirate, per modificare singoli amminoacidi, per alterare una specifica interazione di una proteina multifunzionale per migliorare la resistenza alle malattie evitando al tempo stesso effetti negativi, per ridurre il grave problema delle perdite di raccolto dovute a malattie.

Materiali supplementari:

I seguenti sono disponibili online all'indirizzo https://www.mdpi.com/article/10.3390/biom11081122/s1. Figura S1: Allineamento ClustalW delle sequenze di amminoacidi della proteina SPL.

Contributi dell'autore:

CG e AS hanno progettato e scritto il manoscritto. Entrambi gli autori hanno letto e accettato la versione pubblicata del manoscritto.

Finanziamento:

Questa ricerca non ha ricevuto finanziamenti esterni.

Ringraziamenti:

Vorremmo ringraziare Rebecca Wray per aver aiutato a correggere le bozze del manoscritto.

Conflitto di interessi:

Gli autori dichiarano assenza di conflitto di interesse.

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