Lysin Motiv (LysM) Proteiner: Sammenkædende manipulation af planteimmunitet og svampe

Abstrakt:

Proteinerne med lysin-motiv (LysM) er kulhydratbindende proteinmoduler, der spiller en kritisk rolle i vært-patogen-interaktioner. Plantens LysM-proteiner fungerer for det meste som mønstergenkendelsesreceptorer (PRR'er), der registrerer kitin for at inducere plantens immunitet. I modsætning hertil blokerer svampe-LysM kitin-sensing eller signalering for at hæmme chitin-induceret værtsimmunitet. I denne gennemgang giver vi historiske perspektiver på plante- og svampe-LysM'er for at demonstrere, hvordan disse proteiner er involveret i reguleringen af ​​planters immunrespons af mikrober. Planter anvender LysM-proteiner til at genkende svampekitiner, der derefter nedbrydes af plantekitinaser for at inducere immunitet. I modsætning hertil rekrutterer svampepatogener LysM-proteiner for at beskytte deres cellevæg mod hydrolyse af plantechitinase for at forhindre aktivering af chitin-induceret immunitet. Afdækning af dette co-evolutionære våbenkapløb, hvor LysM spiller en central rolle i manipulation, letter en større forståelse af de mekanismer, der styrer plante-svamp-interaktioner.

Nøgleord:

lysin motiv (LysM) protein; plante-svamp interaktioner; chitin; immunitetsmanipulation.

Lysinmotiver (GRAS) er en klasse af konserverede proteinsekvenser, der findes i en række forskellige organismer. De er involveret i reguleringen af ​​vækst og udvikling og stresstilpasning hos planter og svampe og findes også hos pattedyr. Nylige undersøgelser har vist, at GRAS-proteiner også er involveret i at regulere immunresponser hos planter og pattedyr og derved påvirke immuniteten. I planter er GRAS-proteiner involveret i at mediere planteforsvarsreaktioner på patogener. For eksempel er GRAS-proteinerne SHR og SCR i Arabidopsis thaliana involveret i planterøddernes resistens over for patogener, og disse proteiner kan inducere apoptose i planterødder og fremme døden af ​​patogene bakterier. Derudover øger GRAS-proteiner også planteresistens over for patogener ved at deltage i reguleringen af ​​genekspression i planteimmunaktivering.

Hos pattedyr, selvom der er få undersøgelser af GRAS-proteiners immunfunktion, har nogle undersøgelser vist, at de er involveret i immunregulering. For eksempel kan GRAS-proteinet SPRY2 hæmme proliferation og aktivering af T-celler og øge antallet af regulatoriske T-celler og derved regulere balancen i immunresponset. På den anden side kan GRAS-protein OSL1 også deltage i reguleringen af ​​pattedyrs immunrespons, og det kan hæmme aktiveringen og proliferationen af ​​T-celler.

Derfor kan det ses, at GRAS-proteiner er involveret i reguleringen af ​​immunresponser hos planter og pattedyr, og derved påvirker immuniteten. Fremtidig forskning skal udforske den specifikke rolle og mekanisme af GRAS-proteiner i immunregulering, for at give et teoretisk grundlag for udviklingen af ​​nye immunmodulatorer. Dette viser vigtigheden af ​​immunitet, så vi er nødt til at forbedre immuniteten. Cistanche kan øge immuniteten. Kødaske indeholder en række biologisk aktive komponenter, såsom polysaccharider, to svampe, Huang Li osv. Stimulerer forskellige celler i immunsystemet og øger deres immunaktivitet.

Klik cistanche tubulosa ekstrakt pulver

1. Introduktion

Da planter er immobile, står de over for flere udfordringer i løbet af deres levetid, herunder dem fra patogener. Planter har ikke et cirkulerende immunsystem som dyr, og de genererer heller ikke antistoffer til at bekæmpe patogener [1]. Således er unikke strategier til at forsvare sig mod patogeninvasioner blevet designet af planter gennem hele deres evolution. Planter har udviklet immunreceptorer som et middel til at opdage og efterfølgende afskrække patogener [2]. Immunreceptorer i planter kan opdeles i to hovedtyper, mønstergenkendelsesreceptorer (PRR'er) og nukleotidbindende leucinrige gentagelsesreceptorer (NLR) [3]. PRR'er er blevet brugt som det primære forsvar mod patogener.

Generelt er PRR'er lokaliseret på cellemembranen og tilhører en familie af receptorkinaser, der generelt omfatter et ekstracellulært ligandbindende domæne, et transmembrant domæne og et intracellulært kinasedomæne [4]. De ekstracellulære domæner af PRR'er kan specifikt genkende molekylært associerede molekylære mønstre (MAMP), såsom det bakterielle lipopolysaccharid (LPS), flagellin, EF-Tu (forlængelsefaktor termo-ustabil), peptidoglycaner, svampekitin og -glucaner, og ergosteroler aktiveres intracellulære kinasedomæner gennem transmembrane domæner, som igen forstærker nedstrøms immunsignaler [5-7]. For at bryde igennem dette første niveau af plantens immunsystembarrierer udskiller patogener små molekyler kaldet effektorer til planteceller. Disse effektorer forstyrrer mitogen-aktiveret proteinkinase (MAPK) signalering og dens nedstrøms transmission ved at hæmme translationen og aktiviteten af ​​PRR'er og deres komplekse signalering. Udover dette kan det også påvirke planteimmunitet ved at interferere med flere cellulære processer såsom produktion af ROS, vesikeltransport, callusaflejring og cellevægsstyrkelse [5,7].

LysM-domænet inkluderer proteiner, der direkte spiller en rolle enten i PRR'erne, der regulerer immunitet i planter eller som effektorer i patogene svampe, der undertrykker planteimmunitet [8]. LysM-domænet er et generelt peptidoglycan-bindende modul, som har en sekundær struktur med to helixer stablet på samme side af det anti-parallelle ark. Generelt indeholder LysM-modulet omkring 50 aminosyrer og binder sig til peptidoglycaner, chitin og deres derivater [9]. LysM-domænet blev oprindeligt opdaget i det antimikrobielle enzym lysozym af en bakteriofag [8], og et voksende antal undersøgelser har fundet ud af, at LysM-domæneproteiner er vidt udbredt i eukaryoter og prokaryoter [10,11].

Som et funktionelt domæne, der hjælper med at undgå værtsimmunitet, er funktionen af ​​LysM-domæneproteiner afhængig af LysM-domænets bindingsegenskaber til svampekitinpolysaccharidet, som er et uopløseligt komplekst kulhydrat i svampecellevæggen, der generelt nedbrydes af plantekitinaser [ 12]. Svampepatogeners cellevæg er det første kontaktpunkt med værtsplanten, og hovedbestanddelen af ​​svampens cellevæg er kitin [12]. For planter fungerer svampekitin som en MAMP, som inducerer planteimmunitet ved at binde sig til de beslægtede PRR'er i planter. I modsætning hertil udskilles LysM-domæneholdige effektorer af svampepatogener for at beskytte deres cellevægge for at undgå værtsforsvarsresponset. Chitin som en essentiel komponent i svampens cellevæg fungerer som et vigtigt molekyle i manipulationen af ​​værtsimmunitet medieret af LysM-proteiner. Denne intermolekylære interaktion understreger resultaterne af fint kontrollerede vært-patogen-processer, som er blevet grundlaget for at forbedre sygdomsresistens i afgrøder [13].

I denne gennemgang giver vi således en omfattende vurdering af de biologiske karakteristika af LysM-proteiner fra planter og svampe, de mekanismer, hvorved manipulation af værtsimmunitet finder sted, og deres interaktive roller mellem planter og svampe for at lette forståelsen af ​​LysMs mekanisme. -medieret immunitet og dens betydning for landbruget.

2. LysM medierer chitinsignalering i planter

LysM eksisterer i form af LysM-holdige receptorlignende kinaser (LYK'er) eller non-kinase LysM [14]. LYK'er er udelukkende til stede i planter og er involveret i reguleringen af ​​planteimmunitet [14]. Plante LysM-proteiner er meget forskellige, med mindst seks forskellige typer i modsætning til non-kinase-typerne, hvilket tyder på, at LysM-proteiner forekommer i en række komplekse strukturelle domæner [14,15]. Imidlertid er en biologisk funktion ikke blevet tildelt de fleste ikke-kinase LysM gener.

2.1. LysM i Arabidopsis og Rice

Genkendelse af patogen-associerede molekylære mønstre (PAMP'er) af PRR'er er det første trin i planteforsvar, PAMP'er er konserverede elicitormolekyler såsom svampekitin og chitooligosaccharider, bakteriel peptidoglycan, og modning og transport af PRR'er er en vigtig biologisk proces. Chitin elicitor receptor kinase 1 (CERK1) er et klassisk LysM medlem, som findes i ris og Arabidopsis [16,17]. Det fungerer som en PRR på plantecellemembraner til at genkende nogle konservative molekylære mønstre afledt af patogene svampe og inducere værtens immunrespons (figur 1). CERK1, som indeholder tre LysM-domæner, spiller en nøglerolle i opfattelsen af ​​kitinoligosaccharid-inducere og transduktion af N-acetylglucosamin. Det viser en højere affinitet til chitin-oligosaccharid med længere rester. Immunresponser induceret af svampe-MAMP-kitin inkluderer MAPK-aktivering, produktion af reaktive oxygenarter (ROS) og ekspression af forsvarsgener [16,18-20].

Riskitinreceptor OsCERK1 modnes i det endoplasmatiske retikulum, hvorfra det transporteres til det ektoplasmatiske retikulum gennem Golgi-apparatet. Under denne proces kan stress-induceret protein (Hop/Sti1) og varmechokprotein 90 (Hsp90) samle en eller flere plantespecifikke Rho-type GTPase OsRac1, et medlem af Rho-familien Guanosine Triphosphate-aser (GTPases), som komplekserer i det endoplasmatiske retikulum og efterfølgende transport af OsCERK1 fra det endoplasmatiske reticulum til det endoplasmatiske retikulum regulerer modningen af ​​OsCERK1. Transportprocessen er afhængig af reguleringen af ​​det lille GTPase-sekretionsrelaterede protein og ras-relateret protein 1 (GTPase Sar1) [21].

Som et lille guanin-nukleotidregulerende (G) protein er OsRac1 involveret i det OsCERK1--holdige receptorkompleks, der regulerer immuniteten efter svampekitin opfattes af risceller [21,22]. Et receptor-lignende cytoplasmatisk kinase (RLCK) medlem, inklusive den sandsynlige serin/threonin protein kinase-lignende 27 (PBL27), der er en nedstrøms komponent af CERK1, spiller en vigtig rolle i kitin sensing og downstream signalering, som endelig bidrager til moduleringen af kitin-induceret immunitet i Arabidopsis [23]. Efter CERK1-chitingenkendelse phosphoryleres PBL27 af CERK1. Fosforyleret PBL27 deltager efterfølgende i MAPK-aktivering [23]. På samme måde kan den receptorlignende cytoplasmatiske kinase i ris OsRLCK185 også phosphoryleres af kitin-aktiveret OsCERK1 og fremkalde MAPK-responser [24,25]. OsRLCK185 phosphorylerer også cytoplasmatisk ferritin OsDRE2a, rishomologer af Dre2-gærproteinet, for at modulere en chitin-induceret ROS-udbrud [26]. Andre RLCK VII-medlemmer, herunder OsRLCK57, OsRLCK107, OsRLCK118 og OsRLCK176, er også involveret i flere chitin-signalveje [27-29].

Derudover er flere andre downstream-komponenter involveret i CERK1-medieret signalering også blevet identificeret i Arabidopsis. Plant U-box protein 4 (PUB4) er en ubiquitin-ligase, der interagerer med CERK1. Det er en positiv regulator af chitin-signalering gennem sin rolle i ROS-produktion og callose-aflejring efter en opfattelse af chitin-oligosaccharid [30]. Arabidopsis-receptorlignende cytoplasmatisk kinase VII-medlemmer, herunder RLCK VII-4, RLCK VII-5, RLCK VII-7 og RLCK VII-8, fungerer nedstrøms for de PRR'er, der er involveret i flagellin og chitin-signalering, bidrager til callose-aflejringen og ROS-generering. RLCK VII-4 blev specifikt vist at være vigtig for chitin-signalering gennem sin rolle i aktivering af MAPK-kaskaden ved perception af chitin, hvilket således forbinder en PRR til MAPK-signalering [31]. Tilsammen indikerer disse resultater, at CERK1-RLCK-signalmodulet spiller en bevaret rolle i produktionen af ​​ROS i Arabidopsis og ris under et kitin-udløst immunrespons [21-31].

Interessant nok blev chitinreceptoren CERK1 vist at binde direkte til chitin, med alle tre ekstracellulære LysM-domæner, der kræves til chitinbinding, men mere signifikant uden andre interagerende proteiner, hvilket giver bevis for, at CERK1 er et vigtigt chitinbindende protein i planter [ 32]. Det konserverede juxtamembrane (JM) paramembrandomæne regulerer kinaseaktiviteten af ​​CERK1 i Arabidopsis. Derudover spiller JM-paramembrandomænet også en funktionelt bevaret rolle i aktiveringen af ​​det chitin-sensing-signal i Arabidopsis [33]. Endelig er dimeriseringen af ​​​​chitin-induceret CERK1 den biologiske nøgleproces, der er nødvendig for immunsignaltransduktion induceret af chitin [34]. For eksempel er ligand-induceret CERK1-homodimerisering påkrævet for molekylære mønstre af ligandopfattelse, receptoraktivering og immunsignaltransduktion [34,35].

Proteinphosphorylering er også et vigtigt regulatorisk trin i plante LysM-signalering [23]. For det første, da CERK1 er et stort chitinbindende protein, der er direkte involveret i kitinbinding af LysM, er dets chitinsignalopfattelse og transmission afhængig af post-translationelle modifikationer og kinaseaktivitet [32]. Det er kendt, at CERK1 phosphorylerer receptorlignende cytoplasmatiske kinaser PBL27 i A. thaliana [23,36]. Tilsvarende i ris phosphoryleres guanin-nukleotidudvekslingsfaktoren for OsRac1 OsRacGEF1 af den cytoplasmatiske kinase OsCERK1 [22]. CERK1 interagerer også med LYK5 for at registrere chitin-oligosaccharid og aktivere nedstrømskomponenterne i chitin-signaleringskaskaden; efterfølgende adskilles LYK5 fra CERK1 for at komme ind i vesikler og gennemgår endocytose ved phosphorylering med CERK1 [37]. Efter chitin-sensing rekrutterer CERK1 den CERK1-interagerende proteinphosphatase 1 (CIPP1), en forudsagt Ser/Thr-phosphatase, for at dephosphorylere Tyr428 og dæmpe CERK1-signalering [38].

Andre RLK og RLP, der indeholder LysM-domænet, findes også i ris og Arabidopsis og er involveret i chitin-signalering. For eksempel var chitin exciton-bindende proteiner (CEBiP'er) de første opdagede plante LysM RLP'er i ris [39]. Analyse af den molekylære struktur af OsCEBiP kitin-genkendelsesdomænet viste, at krystalstrukturerne af et frit ektodomæne (ED) af OsCEBiP (OsCEBiP-ECD) indeholder tre tandem LysM'er, efterfulgt af en ny strukturel fold af cysteinrige domæner [40]. Strukturel analyse viste også, at kitinbinding ikke signifikant kan påvirke konformationen af ​​OsCEBiP, men kitin i en "glidende tilstand" forårsager OsCEBiP-aggregering, som spiller en nøglerolle i opfattelsen og transduktionen af ​​flere chitininducere i risceller [39-41].

Desuden viser OsLYP4 og OsLYP6, som LysM-RLP'er, også chitinaffinitet, muligvis som små chitinreceptorer [42], som begge kan danne homo- og heterodimerer og interagere med CEBiP for at deltage i signaltransduktion af peptidoglycan (PGN) og chitin [42,43]. OsCERK1 kan også bruges som et link til at binde med OsLYP4 og OsLYP6 [44]. Mens OsCEBiP-homologen i Arabidopsis, lysinmotivdomæne-holdig glycosylphosphatidylinositol-to-anchoredprotein2 (LYM2), viser lighed med ris CEBiP, er den ikke involveret i signalering på trods af den høje affinitet for binding med p-chitin-oligosaccharidet [44]. LYM2 medierer en reduktion i molekylær flux via plasmodesmata i nærvær af chitin-oligosaccharid for at inducere forsvarsreaktioner mod svampepatogenet Botrytis halal, men LYM2 er ikke påkrævet for CERK1-medierede kitin-udløste forsvarsresponser, hvilket indikerer, at der er mindst to uafhængige chitin-aktiverede responsveje i Arabidopsis [44].

Derudover er flere andre CEBiP-homologer i Arabidopsis blevet fundet involveret i reguleringen af ​​chitinsignaltransduktion og planteimmunitet, herunder LysM RLK1-interagerende kinase 1 (LIK1), LysM-receptorkinase 3 (LYK3), LysM receptorkinase 4 (LYK4) og LysM-receptorkinase 5 (LYK5) [37,44-47]. Adskillige chitin-oligomerer kan inducere heterodimerisering af AtLYK5 og homodimerisering af AtCERK1, men den chitin-inducerede AtLYK5-AtCERK1-heterodimer er stærkere end AtCERK1-homodimeren, fordi kun AtCERK1 indeholder et kinasedomæne, som også har vist sig at være ansvarlig for initiering af chitin-signaler. 48].

Negative regulatoriske faktorer spiller også en nøglerolle i ekspressionen af ​​grundlæggende og tidlige patogen-inducerede forsvarsgener og beskyttelsen af ​​plantevækst mod vedvarende kitin-induceret immunskade [36]. For eksempel regulerer AtLYK3 og LIK1 negativt chitin-induceret planteforsvar og fungerer som komponenter i det cytoplasmatiske kinase PBL27-kompleks. Plante-U-boksprotein 12 (PUB12) regulerer negativt chitin-induceret immunitet [36,45,47]. Chitin-aktiveret AtCERK1 dephosphorylerer sin 428 tyrosinrest ved at rekruttere CIPP1, som kan bruges som en negativ feedback-mekanisme til at blokere chitinsignaltransduktion [38]. Men hvordan planter balancerer disse positive og negative signalsystemer, eller om de er afhængige af andre signalmolekyler, er stadig ukendt.

Endelig er immunresponset et komplekst og præcist netværk, der inkluderer flere signalkrydssamtaler under plante-patogen-interaktioner, og LysM'er er ingen undtagelse [46]. AtLYK3 er involveret i hormonet abscisinsyre (ABA)-medieret negativ krydstale med planters immunrespons [46]. LIK1 regulerer positivt jasmonsyre/ethylen (JA/ET) hormonsignalering og regulerer negativt kitin-inducerede planteforsvarsresponser [47]. LysM-domænet af EMBRYO SAC 1 (OsEMSA1A) er ansvarlig for udviklingen og funktionen af ​​embryoblastocyster [49]. CERK1 er påkrævet som reaktion på både arbuskulær mykorrhizal (AM) symbiose og plantesaltstress [50-53]. Disse resultater tyder på, at CERK1, ud over dets involvering i immunresponserne som RLK'er, også udfører to eller flere mekanistisk uafhængige funktioner. For eksempel kan CERK1 spille en rolle i celledødskontrol uafhængigt af chitin og er ikke afhængig af dets kinaseaktivitet [54].

Chitin-oligosaccharidet -1,4-N-acetylglucosamin-oligomerer (GlcNAc), der fungerer som den eneste svampecellevægs glykosidstruktur, fungerer også som MAMP'er i planter, men de uforgrenede -1,{ {4}}glucan af agurkepolyphyly-oligosaccharider kan også forårsage CERK1-receptor-medieret PAMP-udløst immunitet (PTI) i Arabidopsis [55]. Arabidopsis CERK1 medierer planteimmunitet som reaktion på ikke-værtsresistens over for Fusarium oxysporum [56]. OsCERK1 er for nylig blevet foreslået at have en yderligere rolle i at forårsage en bakteriel lipopolysaccharid (LPS)-induceret immunrespons i ris [54]. Arabidopsis cerk1-4 mutante alleler kunne ikke akkumulere ekstracellulære proteinhydrolysater, hvilket førte til forøgelse af modtagelighed eller induktion af senescens [54]. Siden cerk1-4 udviste planter normale chitinresponser, var celledød ikke relateret til kinaseaktiviteten af ​​AtCERK1 [54]. AtCERK1's rolle i salttolerance i Arabidopsis er også blevet rapporteret, AtCERK1 interagerer med calciumkanalprotein ANNEXIN 1 (ANN1), som er ansvarlig for salt-induceret calcium indadstrøm [50].

2.2. LysM i andre planter

CERK1-homologer har også vigtige biologiske funktioner i andre planter, især i immunitetsmanipulationer [57-59]. LysM-holdige proteiner differentieres også funktionelt i en række cellulære processer. LysM-holdigt protein 1 i morbær (MmLYP1), en CEBiP-homolog, har en hæmmende effekt på uopløseligt kitin og er afhængig af LysM-holdige proteiner 2 (MmLYK2, CERK1-homolog) under infektioner med ascomyceter [60]. I bomuld har to LysM-receptorlignende kinaser, Gh-LYK1 og Gh-LYK2, en vis effekt på bomulds modstandsdygtighed over for Verticillium-visne. Alle tre LysM-domæner af Gh-LYK1 og Gh-LYK2 er nødvendige for deres kitin-bindende evne, og virus-induceret gendæmpning (VIGS) af Gh-LYK1 og Gh-LYK2 i bomuldsplanter kompromitterer resistens over for Verticillium dahliae.

Gh-LYK2 og Gh-LYK1 kan dog bidrage forskelligt til forsvaret i bomuld. Gh-LYK2, men ikke Gh-LYK1, er en pseudokinase, og ED af Gh-LYK2 kan inducere ROS-udbrud i planter [58]. GhWAK7A i bomuld interagerer direkte med GhLYK5 og GhCERK1 og fremmer chitin-induceret GhLYK5-GhCERK1 dimerisering, som spiller en væsentlig rolle i den chitin-inducerede respons [61]. Derudover er LysM-type receptor-lignende protein 1 (LYP1), LysM-holdig receptor-lignende kinase 7 (LYK7) og ekstracellulært LysM protein 3 (LysMe3) membranreceptorer, der genkender chitin-signaler, som kan aktivere nedstrøms forsvarsprocesser og øge resistens. til V. dahliae [62]. I modsætning til ris OsCERK1 udviser LysM-proteiner i tomat signifikant funktionel divergens [63]: i tomat deltager SlLYK10 og SlLYK12 i reguleringen af ​​AM-symbiose, SlLYK1 deltager i det chitin-inducerede immunrespons, og SlLYK13 er involveret i celledød [57 ,64]. AtCERK1-homologen fra æble, MdCERK1, forbedrer resistens over for Alternaria alternata [59]. Pteris ryukyuensis chitinase-A (PrChiA) har en kitinbindende og antifungal aktivitet [65], mens Equisetum arvense chitinase-A (EaChiA) ikke har [66]. Den væsentligste strukturelle forskel mellem PrChiA og EaChiA er antallet af LysM-domæner [66], men der er ingen data, der tyder på, at dette er relateret til forskelle i antifungal aktivitet. Derudover er tilstedeværelsen af ​​LysM-proteiner i æbler, vindruer, kartofler og æbletræer også blevet identificeret og bevist at deltage i chitin-inducerede immunresponser [59,67-69]. LysM-proteiner i ærter, petunier og lucerne er involveret i plantens AM-symbiose [70-73].

3. LysM hæmmer chitinsignalering i svampe

Mange svampepatogener koder for eksosomale effektorer, der indeholder det samme LysM-domæne som plantens kitinreceptorer. De fleste svampepatogener hæmmer kitin-induceret planteimmunitet ved at blokere chitin-sansning eller signalering [74-79]. Ecp6 i Cladosporium flavum, den første LysM-domæne-effektor, der blev opdaget, chelaterer chitin under infektion [74]. Chitinoligosaccharider frigivet fra cellevæggen i det invaderende mycelium ved cellelyse eller nedbrudt af plantekitinaser binder til chitinoligomerer for at forhindre planteopfattelse, hvilket blokerer for planteimmuniteten udløst af kitin [74,75]. Efterfølgende er en batch af svampe LysM-effektorer involveret i hæmningen af ​​planteimmunitet blevet opdaget.

Colletotrichum higginsianum ekstracellulære LysM strukturelle proteiner ChELP1 og ChELP2 fra ascomycete-svampen, der forårsager anthracnosesygdom i planter, spiller en dobbelt rolle i tilknytning, cellefunktion og chitin-udløst planteimmunsuppression. ChELP1 og ChELP2 spiller en vigtig rolle i at opretholde virulensen af ​​svampe og deres evne til at penetrere Arabidopsis epidermis-celler og cellofanmembraner [79]. Fungalysin metalloprotease i majs anthracnose svampen Colletotrichum graminicola (Cgfl) indeholder ikke kun to LysM domæner, men også zink metalloproteinaser af det konserverede katalytiske site HEXXH domæne og er bredt konserveret i svampe. Ved angreb af majs udtrykkes Cgfl specifikt i den biotrofiske fase, og det blev vist, at svampen bruger både Cgfl-medierede og LysM-proteinmedierede strategier til at kontrollere chitinsignaler ved at undertrykke værtens chitinaseaktivitet [80]. På samme måde er risblastsvampen Magnaporthe oryzae ikke kun afhængig af LysM-proteinet SLP1, men også på hjælpeaktivitetsfamilie 9-protein (Aa9)-homologen MoAa91 (af M. oryzae), som er påkrævet til overfladegenkendelse såvel som til at undertrykke kitin-induceret plantens immunrespons. MoAa91 er reguleret af G-proteinsignalering (RGS) og RGS-lignende proteiner, som er nødvendige for appressoriumudvikling og er også udsat for negativ regulering af transkriptionsfaktoren MoMsn2. MoAa91-mutanten dannede umodne adhærente celler ved den kunstigt inducerede grænseflade, og gendeletionsmutanterne reducerede signifikant patogenicitet.

Yderligere undersøgelser viste, at MoAa91 udskilles i det exosomale rum, hvor det binder med chitin- og chitinoligosacchariderne ved at konkurrere med risimmunreceptoren CEBiP, hvilket resulterer i hæmning af chitin-inducerede planters immunrespons [81]. ZtGT2-protein fra hvedepatogenet Zymoseptoria tritici har funktionen at vedligeholde den yderste overflade af svampecellevæggen og hjælper med at udvide hyferne på de faste overflader. Det er udbredt i svampe, og dets tab resulterede i tab af patogenvirulens på værtsoverfladen som følge af handicap i hyphal extension. En mutation i ZtGT2-ortologen i den patogene svamp Fusarium graminearum resulterede i konstitutivt øget ekspression af adskillige transmembraner og udskilte proteiner, herunder det vigtige LysM-domæne Zt3LysM, en LysM-domæne-kitinbindende virulenseffektor. Selvom adhæsionen til bladoverflader var upåvirket i de beslægtede F. graminearum-mutanter, resulterede en alvorlig svækkelse af hyphal vækst i mutanterne i et lignende tab af patogenicitet i denne taksonomisk ikke-beslægtede svamp på hvedeørerne [82].

Mycosphaerella graminicola, der forårsager Septoria tritici pletsygdommen i hvede, bærer effektorerne Mg1LysM og Mg3LysM, der er homologer af effektorproteinet ekstracellulært protein 6 (Ecp6) fra det biotrofiske bladskimmelsvampepatogen Cladosporium fulvum. Tidligere arbejde har vist, at disse svampeeffektorer kan binde kitin, og dermed beskytter svampehyfer mod planteafledte chitinaser, sandsynligvis ved at hjælpe patogenet til at undgå værtens immunrespons aktiveret gennem kitinreceptorerne CERK1 og CEBiP [76,77]. LysM-strukturproteinet fra Magnaporthe grisea, der udskiller et effektorprotein, udskilt LysM-protein 1 (SLP1), og Rhizoctonia solani LysM-effektor (RsLysM) hæmmer chitin-udløst immunitet ved at binde kitin, men de kan ikke beskytte hyferne mod hydrolyse [76,77, 83]. En undersøgelse af 18 formodede LysM-proteiner i Penicillium spp. fandt, at ekspressionsniveauerne af PeLysM1, PeLysM2, PeLysM3 og PeLysM4 var signifikant øget under patogeninfektion, men påvirkede ikke svampevirulensen. PeLysM3 blev også bevist at regulere sporespiring og væksthastighed [84].

Svampe-LysM'er er imidlertid ikke altid kun involveret i manipulation af planteimmunitet, hvilket resulterer i skadelige virkninger på værten. En udskilt LysM-effektor identificeret fra modellen arbuscular mycorrhiza (AM) svampearten Rhizophagus irregularis (RiSLM) er et af de højest udtrykte effektorproteiner i det intraradikale mycelium under symbiose med værten Medicago truncatula. In vitro bindingsforsøg har vist, at RiSLM binder til chitin-oligosaccharider for at beskytte svampecellevægge mod kitinase. Derudover kan RiSLM effektivt interferere med immunresponset udløst af kitin for at undergrave chitin-udløst immunitet under symbiose, hvilket peger på en fælles rolle for LysM-effektorer i både symbiotiske og patogene svampe på et tidspunkt i evolutionen [85,{{2} }]. På samme måde anvender den gavnlige svamp Trichoderma viride effektorer som Tal6, der sekvestrerer GlcNAc-oligomerer, og interfererer derved med svampeafledt N-acetylglucosamin-opfattelse af plantens overvågningsmaskineri, hvilket fører til beskyttelse af svampehyfer fra værtens kitinaser [87].

N-glycosylering som en post-transkriptionel modifikation er en typisk mekanisme for effektorer, der skal bruges i vid udstrækning af svampepatogener til at modulere deres evne til at undgå værtsimmunitet [88]. Den Alg3-medierede N-glycosylering af Slp1 er påkrævet for dets proteinstabilitet og chitinaffinitet. N-glycosylering ved hjælp af Slp1 er påkrævet for at undgå værtens medfødte immunitet [88]. ChELP1 og ChELP2 er også N-glycosyleret [79]. Disse undersøgelser tyder på, at N-glycosylering er essentiel og er en almindelig modifikation for svampe LysM-effektorer for at opnå ultrahøj chitinaffinitet [88]. Storskala identifikation og sammenligning af N-glycosyleringsproteiner på forskellige biologiske udviklingsstadier af den patogene svamp Magnaporthe oryzae viste, at 559 N-glycosyleringssteder af 355 proteiner blev identificeret; de fleste af dem er involveret i forskellige biologiske udviklingsprocesser, såsom mycelier, konidier og cellevedhæftning og -differentiering [89].

4. LysM interlocks manipulation af immunitetsreaktionerne mellem planter og patogener

Det nuværende syn på de inducerbare forsvarsresponser i plante-patogen-interaktioner er godt fanget i den såkaldte zigzag-model. I denne model aktiveres det første inducerede forsvar af PRR'erne, og PRR'erne er celleoverfladereceptorer, der genkender MAMP [90]. Dette forsvarsrespons inkluderer lokal cellevægsstyrkelse, produktion af reaktive oxygenarter og produktion og frigivelse af antimikrobielle forbindelser, som tilsammen forhindrer de fleste mikrobielle invasioner [1,3,7,90]. Når patogener med succes overvinder værtens forsvar ved at bruge udskilte effektorer, etableres effektor-udløst modtagelighed, hvilket er et nøgleelement i zigzag-modellen [1]. LysM-proteiner, de vigtige medlemmer, der er til stede både i planter og svampe, bør spille en vigtig rolle for at forbinde immunitetsmodulationen mellem planter og patogener.

Under svampe-plante-interaktionerne, når svampe bryder igennem den første plantes barriere og engagerer værtens overflade, fungerer plante LysM-proteiner som PRR'erne for at genkende kitin og inducere immunitet. Planten anvender sekretorisk chitinase til at hydrolysere svampecellevæggen for at frigive frit oligo kitin. Efterfølgende transmitteres forsvarssignaler af den nedstrøms LysM cytoplasmatiske kinase, hvilket udløser plantens immunrespons for at undertrykke spredningen af ​​svampe. Omvendt udskiller svampe LysM-proteiner for at undertrykke chitin-induceret immunitet. Mikrobielle LysM-proteiner beskytter svampecellevæggen mod hydrolyse ved at binde sig til den yderste overflade eller konkurrere med plante LysM-receptorer for at binde kitinfragmenter og i sidste ende overvinde planteimmunitet for at lette svampeinfektionen.

LysM-proteiner forbinder således immunitetsmanipulationen mellem planter og patogener. Dette er blevet godt demonstreret i Verticillium spp. I bomuld har flere LysM-proteiner en vis effekt på bomulds modstandsdygtighed over for Verticillium-visne, herunder Gh-LYK1, Gh-LYK2 og GhLYK5 [58], gennem deres kitinbindingsevne. Hos V. dahliae bidrager effekten af ​​LysM af Vd2 til patogenets virulens og binder kitin til at undertrykke chitin-inducerede immunresponser, hvorved svampehyfer beskyttes mod hydrolyse af plantens hydrolytiske enzymer [91]. Patogener bruger ikke kun LysM-effektorer til at blokere planteimmunitet ved at interagere med kitinpolymeren for at beskytte myceliet, da Verticillium alfalfa også udskiller det Verticillium nonalfalfae kitinbindende protein (VnaChtBP), der indeholder et kulhydratbindende motiv 18 (CBM18) domæne, der interagerer med chitinpolymeren [92]. Derudover fandt en nylig undersøgelse af V. dahliae, at deletionen af ​​et polysaccharid-deacetylase-gen (VdPDA1) alvorligt påvirkede patogeniciteten af ​​V. dahliae [93]. VdPDA1 har en stærk chitinoligomer-deacetylaseaktivitet på opløselige chitinoligosaccharider i det alkaliske miljø. Yderligere undersøgelser afslørede, at deacetylerede chitin-oligosaccharider hæmmer genkendelsen af ​​LysM-receptorer, hvilket fører til blokering af chitin-sense-immunsignaltransmission i det intracellulære, hvilket undertrykker værtens immunrespons under vært-V. dahliae interaktion [93]. Derfor kan patogene svampe blokere chitin-signalering ved (1) at udskille ekstracellulære kropseffektorer med høj affinitet for chitin-oligomerer, (2) udskille effektorer, der konkurrerer med kitin om at binde med plante LysM-receptorkinaser, (3) deacetylere chitin for at undgå immunresponset

5. Konklusioner og perspektiver for fremtidsstudier

Det coevolutionære våbenkapløb mellem svampe og planter resulterer i en plantes forsvarsreaktion på svampekitin via immunitetsmanipulation mellem planter og patogener. Succesfulde svampe har udviklet LysM-effektorproteiner, der interfererer med plante LysM-medierede immunresponser, der til sidst fører til plantemodtagelighed. Til gengæld har planter udviklet LysM-receptorer for at stimulere forsvarsreaktioner. Når svampe udvikler sig til at producere nye LysM-effektorer eller interfererer med værtsimmunitet på andre måder, menes det, at planter også vil reagere med nye LysM-receptorer for at opretholde planteimmunitet.

Langt fra at forstå LysM-proteinerne i planter og svampe, omfatter de prioriterede spørgsmål, der skal drive forskningen i den nærmeste fremtid, følgende: (1) den nuværende forståelse af de svampe LysM-effektorer og deres hæmmende mekanismer i plantekitinsignalering har brug for yderligere fremskridt, herunder den nye rolle af andre svampeeffektorer involveret i sammenkobling af immunitetsmodulation af både værten og patogenet, eller opdagelsen af ​​ukendte plante LysM-receptorer, etc.; (2) identifikation af de forskellige/fælles karakteristika af LysM-proteiner fra planter og svampe og deres evolutionære forhold (dette ville lette en forståelse af co-evolutionen af, hvordan LysM sammenkobler immunitetsmanipulationen mellem planter og patogener); (3) bortset fra immunitetsmanipulationsfunktionen under plante-svamp-interaktioner, hvilke andre funktioner af LysM-proteiner er, især i svampe (ud over medlemmerne involveret i immunitetsmanipulation er de biologiske funktioner af nogle andre medlemmer af LysM-proteiner stadigvæk uklar); og (4) svampe-LysM-proteiner fungerer som effektorer til at beskytte cellevæggen mod hydrolyse af plantekitinaser og manipulere immuniteten under plante-svamp-interaktioner. LysM-proteiners rolle i AM-symbiose kræver imidlertid også yderligere undersøgelser for at lette brugen af ​​gavnlige mikrober til plantesundhed og for at opnå fødevaresikkerhed bæredygtigt.

Forfatterbidrag:

X.-YY og X.-FD udtænkte emnet for papiret. S.-PH skrev det originale udkast. J.-JL, J.-PL og WJ deltog i udarbejdelsen og gennemgangen af ​​manuskriptet. ND og J.-YC ydede redigeringshjælp. Alle forfattere har læst og accepteret den offentliggjorte version af manuskriptet.

Finansiering:

Dette arbejde blev støttet af tilskud fra Kinas nationale nøgleforsknings- og udviklingsprogram (2018YFE0112500), Elite-ungdomsprogrammet (Chinese Academy of Agricultural Sciences, CAAS) til J.-YC, bevillingen til X. -FD, og ​​en bevilling fra National Natural Science Foundation of China (32001845) til WJ

Udtalelse fra institutionelle revisionsnævn:

Ikke anvendelig.

Erklæring om informeret samtykke:

Ikke anvendelig.

Erklæring om datatilgængelighed:

Ikke anvendelig.

Anerkendelser:

Vi undskylder på forhånd til alle efterforskere, hvis forskning ikke kunne citeres korrekt på grund af pladsbegrænsninger. Vi takker Krishna V. Subbarao (University of California, Davis) for deres nyttige forslag.

Interessekonflikt:

Forfatterne erklærer ingen interessekonflikt.

Referencer

1. Zipfel, C. Plantemønstergenkendelsesreceptorer. Trends Immunol. 2014, 35, 345-351. [CrossRef]

2. Nürnberger, T.; Kemmerling, B. Receptorproteinkinaser-mønstergenkendelsesreceptorer i planteimmunitet. Trends Plant Sci. 2006, 11, 519-522. [CrossRef]

3. Lu, Y.; Tsuda, K. Intim association af PRR- og NLR-medieret signalering i planteimmunitet. Mol. Plantemikrober interagerer. 2021, 34, 3-14. [CrossRef]

4. Li, B.; Lu, D.; Shan, L. Ubiquitinering af mønstergenkendelsesreceptorer i planters medfødt immunitet. Mol. Plante Pathol. 2014, 15, 737-746. [CrossRef]

5. Chisholm, ST; Coaker, G.; Dag, B.; Staskawicz, BJ Vært-mikrobe-interaktioner: Udformning af udviklingen af ​​plantens immunrespons. Cell 2006, 124, 803-814. [CrossRef] [PubMed]

6. Yu, X.; Feng, B.; Han, P.; Shan, L. Fra kaos til harmoni: Svar og signalering ved mikrobiel mønstergenkendelse. Annu. Rev. Phytopathol. 2017, 55, 109-137. [CrossRef] [PubMed]

7. Newman, MA; Sundelin, T.; Nielsen, JT; Erbs, G. MAMP (mikrobe-associeret molekylært mønster) udløste immunitet i planter. Foran. Plant Sci. 2013, 4, 139. [CrossRef] [PubMed]

8. Cui, H.; Tsuda, K.; Parker, J. Effektor-udløst immunitet: Fra patogenopfattelse til robust forsvar. Annu. Rev. Plant Biol. 2015, 66, 487-511. [CrossRef]

9. Dubey, M.; Vélëz, H.; Broberg, M.; Jensen, DF; Karlsson, M. Clonostachys rosea LysM-proteiner regulerer svampeudvikling og bidrager til hyfebeskyttelse og biokontrolegenskaber. Foran. Microbiol. 2020, 11, 679. [CrossRef] [PubMed]

10. Buist, G.; Steen, A.; Kok, J.; Kuipers, OP LysM, et vidt udbredt proteinmotiv til binding til (peptid)glycaner. Mol. Microbiol. 2008, 68, 838-847. [CrossRef]

11. Dworkin, J. Påvisning af svampe- og bakteriekulhydrater: Spiller de lignende strukturer af chitin og peptidoglycan en rolle i immundysfunktion? PLoS Pathog. 2018, 14, e1007271. [CrossRef] [PubMed]

12. Oi, V.; Vuong, T.; Hardy, R.; Reidler, J.; Dangle, J.; Herzenberg, L.; Stryer, L. Nukleotidsekvens af Bacillus fag phi 29 gener 14 og 15: Homologi af gen 15 med andre fag lysozymer. Nucleic Acids Res. 1986, 14, 10001-10008.

13. De Wit, PJ; Mehrabi, R.; Van den Burg, HA; Stergiopoulos, I. Svampeeffektorproteiner: Fortid, nutid og fremtid. Mol. Plante Pathol. 2009, 10, 735-747. [CrossRef] [PubMed]

14. Zhang, XC; Cannon, SB; Stacey, G. Evolutionær genomik af LysM-gener i landplanter. BMC Evol. Biol. 2009, 9, 183. [CrossRef]

15. Zhang, XC; Cannon, SB; Stacey, G. Molekylær udvikling af lysin-motiv-type receptor-lignende kinaser i planter. Plante Fysiol. 2007, 144, 623-636. [CrossRef]

16. Miya, A.; Albert, P.; Shinya, T.; Desaki, Y.; Ichimura, K.; Shirasu, K.; Narusaka, Y.; Kawakami, N.; Kaku, H.; Shibuya, N. CERK1, en LysM-receptorkinase, er essentiel for chitin-elicitor-signalering i Arabidopsis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2007, 104, 19613–19618. [CrossRef]

17. Shimizu, T.; Nakano, T.; Takamizawa, D.; Desaki, Y.; Ishii-Minami, N.; Nishizawa, Y.; Minami, E.; Okada, K.; Yamane, H.; Kaku, H.; et al. To LysM-receptormolekyler, CEBiP og OsCERK1, regulerer i fællesskab chitin-elicitor-signalering i ris. Plant J. 2010, 64, 204-214. [CrossRef]

18. Wan, J.; Zhang, XC; Neece, D.; Ramonell, KM; Clough, S.; Kim, SY; Stacey, MG; Stacey, G. En LysM-receptor-lignende kinase spiller en kritisk rolle i chitin-signalering og svamperesistens i Arabidopsis. Plant Cell 2008, 20, 471-481. [CrossRef]

19. Iizasa, E.; Mitsutomi, M.; Nagano, Y. Direkte binding af en plante LysM receptor-lignende kinase, LysM RLK1/CERK1, til chitin in vitro. J. Biol. Chem. 2010, 285, 2996-3004. [CrossRef] [PubMed]

20. Brotman, Y.; Landau, U.; Pnini, S.; Lisec, J.; Balazadeh, S.; Mueller-Roeber, B.; Zilberstein, A.; Willmitzer, L.; Chet, I.; Viterbo, A. Den LysM-receptorlignende kinase LysM RLK1 er påkrævet for at aktivere forsvar og abiotisk-stress-responser induceret af overekspression af svampekitinaser i Arabidopsis-planter. Mol. Anlæg 2012, 5, 1113–1124. [CrossRef]

21. Chen, L.; Hamada, S.; Fujiwara, M.; Zhu, T.; Thao, NP; Wong, HL; Krishna, P.; Ueda, T.; Kawasaki, T.; Shimamoto, K. Hop/Sti1-Hsp90 chaperonkomplekset letter modningen og transporten af ​​en PAMP-receptor i ris medfødt immunitet. Cell Host Microbe 2010, 7, 185-196. [CrossRef] [PubMed]

22. Akamatsu, A.; Wong, HL; Fujiwara, M.; Okuda, J.; Nishida, K.; Uno, K.; Imai, K.; Umemura, K.; Kawano, Y.; Shimamoto, K. An OsCEBiP/OsCERK1-OsRacGEF1-OsRac1-modul er en vigtig tidlig komponent i kitin-induceret risimmunitet. Cell Host Microbe 2013, 13, 465-476. [CrossRef]

23. Shinya, T.; Yamaguchi, K.; Desaki, Y.; Yamada, K.; Narisawa, T.; Kobayashi, Y.; Maeda, K.; Suzuki, M.; Tanimoto, T.; Takeda, J. Selektiv regulering af det chitin-inducerede forsvarsrespons af den Arabidopsis-receptorlignende cytoplasmatiske kinase PBL27. Plant J. 2014, 79, 56–66. [CrossRef] [PubMed]

24. Yamaguchi, K.; Yamada, K.; Ishikawa, K.; Yoshimura, S.; Hayashi, N.; Uchihashi, K.; Ishihama, N.; Kishi-Kaboshi, M.; Takahashi, A.; Tsuge, S. En receptorlignende cytoplasmatisk kinase målrettet af en plantepatogeneffektor phosphoryleres direkte af chitinreceptoren og medierer risimmunitet. Cell Host Microbe 2013, 13, 347-357. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com