Lysin Motiv (LysM) Proteiner: Sammankopplande manipulation av växtimmunitet och svampar

Abstrakt:

Proteinerna med lysinmotiv (LysM) är kolhydratbindande proteinmoduler som spelar en avgörande roll i värd-patogeninteraktioner. Växtens LysM-proteiner fungerar mestadels som mönsterigenkänningsreceptorer (PRR) som känner av kitin för att inducera växtens immunitet. Däremot blockerar svamp LysM kitinavkänning eller signalering för att hämma kitininducerad värdimmunitet. I denna recension ger vi historiska perspektiv på växt- och svamp-LysMs för att visa hur dessa proteiner är involverade i regleringen av växternas immunsvar av mikrober. Växter använder LysM-proteiner för att känna igen svampkitiner som sedan bryts ned av växtkitinaser för att inducera immunitet. I motsats härtill rekryterar svamppatogener LysM-proteiner för att skydda sin cellvägg från hydrolys av växtkitinas för att förhindra aktivering av kitininducerad immunitet. Att avslöja denna samevolutionära kapprustning där LysM spelar en avgörande roll för att manipulera underlättar en större förståelse för mekanismerna som styr interaktioner mellan växter och svampar.

Nyckelord:

lysinmotiv (LysM) protein; växt-svamp interaktioner; kitin; immunitetsmanipulation.

Lysinmotiv (GRAS) är en klass av konserverade proteinsekvenser som finns i en mängd olika organismer. De är involverade i regleringen av tillväxt och utveckling och stressanpassning hos växter och svampar och finns även hos däggdjur. Nyligen genomförda studier har visat att GRAS-proteiner också är inblandade i att reglera immunsvar hos växter och däggdjur och därigenom påverkar immuniteten. I växter är GRAS-proteiner involverade i att förmedla växtförsvarssvar mot patogener. Till exempel, i Arabidopsis thaliana är GRAS-proteinerna SHR och SCR involverade i växtrötters resistens mot patogener, och dessa proteiner kan inducera apoptos i växtrötter och främja döden av patogena bakterier. Dessutom ökar GRAS-proteiner också växtresistens mot patogener genom att delta i regleringen av genuttryck i växtimmunaktivering.

Hos däggdjur, även om det finns få studier om immunfunktionen hos GRAS-proteiner, har vissa studier visat att de är involverade i immunreglering. Till exempel kan GRAS-proteinet SPRY2 hämma proliferation och aktivering av T-celler och öka antalet regulatoriska T-celler, och därigenom reglera balansen i immunsvaret. Å andra sidan kan GRAS-protein OSL1 också delta i regleringen av immunsvaret hos däggdjur, och det kan hämma aktiveringen och proliferationen av T-celler.

Därför kan det ses att GRAS-proteiner är involverade i regleringen av immunsvar hos växter och däggdjur, vilket påverkar immuniteten. Framtida forskning behöver utforska den specifika rollen och mekanismen för GRAS-proteiner i immunreglering, för att ge en teoretisk grund för utvecklingen av nya immunmodulatorer. Detta visar vikten av immunitet, så vi måste förbättra immuniteten. Cistanche kan förbättra immuniteten. Köttaska innehåller en mängd olika biologiskt aktiva komponenter, såsom polysackarider, två svampar, Huang Li, etc. Stimulerar olika celler i immunsystemet och ökar deras immunaktivitet.

Klicka cistanche tubulosa extrakt pulver

1. Introduktion

Eftersom växter är orörliga står de inför flera utmaningar under sin livstid, inklusive de från patogener. Växter har inte ett cirkulerande immunsystem som djur, och de genererar inte heller antikroppar för att bekämpa patogener [1]. Således har unika strategier för att försvara sig mot patogeninvasioner designats av växter under hela deras utveckling. Växter har utvecklat immunreceptorer som ett sätt att upptäcka och därefter avskräcka patogener [2]. Immunreceptorer i växter kan delas in i två huvudtyper, mönsterigenkänningsreceptorer (PRR) och nukleotidbindande leucinrika repeterande receptorer (NLR) [3]. PRR har använts som det primära försvaret mot patogener.

I allmänhet är PRR lokaliserade på cellmembranet och tillhör en familj av receptorkinaser som i allmänhet inkluderar en extracellulär ligandbindande domän, en transmembrandomän och en intracellulär kinasdomän [4]. De extracellulära domänerna av PRR kan specifikt känna igen molekylärt associerade molekylära mönster (MAMP), såsom den bakteriella lipopolysackariden (LPS), flagellin, EF-Tu (förlängningsfaktor termo-instabil), peptidoglykaner, svampkitin och -glukaner, och ergosteroler aktiveras intracellulära kinasdomäner genom transmembrandomäner som i sin tur potentierar nedströms immunsignaler [5-7]. För att bryta igenom denna första nivå av växtens immunsystemsbarriärer utsöndrar patogener små molekyler som kallas effektorer till växtceller. Dessa effektorer stör mitogenaktiverat proteinkinas (MAPK)-signalering och dess nedströmsöverföring genom att hämma translationen och aktiviteten av PRR och deras komplexa signalering. Förutom detta kan det också påverka växtimmunitet genom att störa flera cellulära processer såsom produktion av ROS, vesikeltransport, kallusavsättning och cellväggsförstärkning [5,7].

LysM-domänen inkluderar proteiner som direkt spelar en roll antingen i PRR som reglerar immunitet i växter eller som effektorer i patogena svampar som undertrycker växtimmunitet [8]. LysM-domänen är en allmän peptidoglykanbindande modul, som har en sekundär struktur med två helixar staplade på samma sida av det antiparallella arket. Generellt innehåller LysM-modulen cirka 50 aminosyror och binder till peptidoglykaner, kitin och deras derivat [9]. LysM-domänen upptäcktes initialt i det antimikrobiella enzymet lysozym av en bakteriofag [8], och ett växande antal studier har funnit att LysM-domänproteiner är vitt spridda i eukaryoter och prokaryoter [10,11].

Som en funktionell domän som hjälper till att undvika värdimmunitet, förlitar sig funktionen hos LysM-domänproteiner på de bindande egenskaperna hos LysM-domänen till svampkitinpolysackariden, som är en olöslig komplex kolhydrat i svampens cellvägg som i allmänhet bryts ned av växtkitinaser [ 12]. Cellväggen hos svamppatogener är den första kontaktpunkten med värdväxten, och huvudkomponenten i svampens cellvägg är kitin [12]. För växter fungerar svampkitin som en MAMP, som inducerar växtimmunitet genom att binda till de besläktade PRR i växter. I motsats härtill, för att undvika värdens försvarssvar, utsöndras LysM-domäninnehållande effektorer av svamppatogener för att skydda deras cellväggar. Kitin som en väsentlig komponent i svampens cellvägg fungerar som en viktig molekyl vid manipulering av värdimmunitet medierad av LysM-proteiner. Denna intermolekylära interaktion understryker resultaten av finkontrollerade värd-patogenprocesser, som har blivit grunden för att förbättra sjukdomsresistens i grödor [13].

I denna recension ger vi därför en omfattande bedömning av de biologiska egenskaperna hos LysM-proteiner från växter och svampar, mekanismerna genom vilka manipulation av värdimmunitet sker och deras interaktiva roller mellan växter och svampar för att underlätta förståelsen av LysMs mekanism. -medierad immunitet och dess betydelse för jordbruket.

2. LysM medierar kitinsignalering i växter

LysM finns i form av LysM-innehållande receptorliknande kinaser (LYKs) eller non-kinas LysM [14]. LYK är uteslutande närvarande i växter och är involverade i regleringen av växtimmunitet [14]. Plant LysM-proteiner är mycket olika, med minst sex olika typer till skillnad från icke-kinastyperna, vilket tyder på att LysM-proteiner förekommer i en rad komplexa strukturella domäner [14,15]. En biologisk funktion har emellertid inte tilldelats de flesta icke-kinas LysM-gener.

2.1. LysM i Arabidopsis och Rice

Igenkänning av patogenassocierade molekylära mönster (PAMP) av PRR är det första steget i växtförsvar, PAMPs är konserverade framkallande molekyler som svampkitin och kitooligosackarider, bakteriell peptidoglykan, och mognad och transport av PRR är en viktig biologisk process. Kitin elicitor receptor kinas 1 (CERK1) är en klassisk LysM-medlem, som finns i ris och Arabidopsis [16,17]. Det fungerar som en PRR på växtcellmembran för att känna igen några konservativa molekylära mönster som härrör från patogena svampar och inducera värdens immunsvar (Figur 1). CERK1, som innehåller tre LysM-domäner, spelar en nyckelroll i uppfattningen av kitinoligosackaridinducerare och transduktion av N-acetylglukosamin. Den visar en högre affinitet till kitinoligosackarid med längre rester. Immunsvar inducerade av svamp MAMP-kitin inkluderar MAPK-aktivering, produktion av reaktiva syrearter (ROS) och uttryck av försvarsgener [16,18-20].

Riskitinreceptor OsCERK1 mognar i det endoplasmatiska retikulum varifrån det transporteras till det ektoplasmatiska retikulumet genom Golgi-apparaten. Under denna process kan stressinducerat protein (Hop/Sti1) och värmechockprotein 90 (Hsp90) sätta ihop en eller flera växtspecifika Rho-typ GTPase OsRac1, en medlem av Rho-familjen Guanosintrifosfat-aser (GTPases), som komplexbinder i det endoplasmatiska retikulumet, och efterföljande transport av OsCERK1 från det endoplasmatiska retikulumet till det endoplasmatiska retikulumet reglerar mognaden av OsCERK1. Transportprocessen bygger på regleringen av det lilla GTPase-sekretionsrelaterade proteinet och ras-relaterat protein 1 (GTPase Sar1) [21].

Som ett litet guaninnukleotidreglerande (G) protein är OsRac1 involverad i det OsCERK1--innehållande receptorkomplexet som reglerar immuniteten efter att svampkitin uppfattas av risceller [21,22]. En receptorliknande cytoplasmatisk kinas (RLCK)-medlem, inklusive den troliga serin/treoninproteinkinasliknande 27 (PBL27), som är en nedströmskomponent i CERK1, spelar en viktig roll i kitinavkänning och nedströmssignalering, vilket slutligen bidrar till moduleringen av kitin-inducerad immunitet i Arabidopsis [23]. Efter CERK1-kitinigenkänning, fosforyleras PBL27 av CERK1. Fosforylerad PBL27 deltar därefter i MAPK-aktivering [23]. På liknande sätt kan det receptorliknande cytoplasmatiska kinaset i ris OsRLCK185 också fosforyleras av kitinaktiverad OsCERK1 och framkalla MAPK-svar [24,25]. OsRLCK185 fosforylerar också cytoplasmatiskt ferritin OsDRE2a, rishomologer av jäst Dre2-proteinet, för att modulera en kitin-inducerad ROS-skur [26]. Andra RLCK VII-medlemmar, inklusive OsRLCK57, OsRLCK107, OsRLCK118 och OsRLCK176, är också involverade i flera kitinsignaleringsvägar [27-29].

Dessutom har flera andra nedströmskomponenter involverade i CERK1-förmedlad signalering också identifierats i Arabidopsis. Plant U-box protein 4 (PUB4) är ett ubiquitinligas som interagerar med CERK1. Det är en positiv regulator av kitinsignalering genom sin roll i ROS-produktion och kallosavsättning efter en uppfattning om kitinoligosackarid [30]. Arabidopsis-receptorliknande cytoplasmatiska kinas VII-medlemmar inklusive RLCK VII-4, RLCK VII-5, RLCK VII-7 och RLCK VII-8 fungerar nedströms om de PRR som är involverade i flagellin och kitinsignalering, bidrar till kallosavsättning och ROS-generering. RLCK VII-4 visades specifikt vara viktig för kitinsignalering genom dess roll i aktiveringen av MAPK-kaskaden vid uppfattning av kitin och därmed kopplar en PRR till MAPK-signalering [31]. Sammantaget indikerar dessa resultat att CERK1-RLCK-signalmodulen spelar en bevarad roll i produktionen av ROS i Arabidopsis och ris under ett kitinutlöst immunsvar [21-31].

Intressant nog visades kitinreceptorn CERK1 binda direkt till kitin, med alla tre extracellulära LysM-domäner som krävs för kitinbindning, men, mer signifikant utan några andra interagerande proteiner, vilket ger bevis för att CERK1 är ett viktigt kitinbindande protein i växter [ 32]. Den konserverade juxtamembranet (JM) paramembrandomänen reglerar kinasaktiviteten hos CERK1 i Arabidopsis. Dessutom spelar JM-paramembrandomänen också en funktionellt konserverad roll i aktiveringen av den kitinavkännande signalen i Arabidopsis [33]. Slutligen är dimeriseringen av kitin-inducerad CERK1 den viktigaste biologiska processen som är nödvändig för immunsignaltransduktion inducerad av kitin [34]. Till exempel krävs ligandinducerad CERK1-homodimerisering för molekylära mönster av liganduppfattning, receptoraktivering och immunsignaltransduktion [34,35].

Proteinfosforylering är också ett viktigt reglerande steg i växt LysM-signalering [23]. För det första, eftersom CERK1 är ett stort kitinbindande protein som är direkt involverat i kitinbindning av LysM, är dess kitinsignaluppfattning och överföring beroende av posttranslationella modifieringar och kinasaktivitet [32]. Det är känt att CERK1 fosforylerar receptorliknande cytoplasmatiska kinaser PBL27 i A. thaliana [23,36]. På liknande sätt, i ris, fosforyleras guaninukleotidbytesfaktorn för OsRac1 OsRacGEF1 av det cytoplasmatiska kinaset OsCERK1 [22]. CERK1 interagerar också med LYK5 för att känna av kitinoligosackarid och aktivera nedströmskomponenterna i kitinsignaleringskaskaden; därefter separerar LYK5 från CERK1 för att komma in i vesiklar och genomgår endocytos genom fosforylering med CERK1 [37]. Efter kitinavkänning, rekryterar CERK1 det CERK1-interagerande proteinfosfatas 1 (CIPP1), ett förutsagt Ser/Thr-fosfatas, för att defosforylera Tyr428 och dämpa CERK1-signalering [38].

Andra RLK och RLP som innehåller LysM-domänen finns också i ris och Arabidopsis och är involverade i kitinsignalering. Till exempel var kitin exciton-bindande proteiner (CEBiPs) de första upptäckta växt LysM RLPs i ris [39]. Analys av molekylstrukturen för OsCEBiP-kitinigenkänningsdomänen visade att kristallstrukturerna för en fri ektodomän (ED) av OsCEBiP (OsCEBiP-ECD) innehåller tre tandem-LysM, följt av en ny strukturell veck av cysteinrika domäner [40]. Strukturanalys visade också att kitinbindning inte signifikant kan påverka konformationen av OsCEBiP, men kitin i ett "sliding mode" orsakar OsCEBiP-aggregation, vilket spelar en nyckelroll i uppfattningen och transduktionen av flera kitininducerare i risceller [39–41].

Dessutom visar OsLYP4 och OsLYP6, som LysM-RLPs, också kitinaffinitet, möjligen som små kitinreceptorer [42], som båda kan bilda homo- och heterodimerer och interagera med CEBiP för att delta i signaltransduktion av peptidoglykan (PGN) och kitin [42,43]. OsCERK1 kan också användas som en länk för att binda till OsLYP4 och OsLYP6 [44]. Medan OsCEBiP-homologen i Arabidopsis, lysinmotivdomäninnehållande glykosylfosfatidylinositol-to-anchoredprotein2 (LYM2), visar likhet med ris CEBiP, är den inte involverad i signalering trots den höga affiniteten för bindning med p-kitinoligosackariden [44]. LYM2 förmedlar en minskning av molekylärt flöde via plasmodesmata i närvaro av kitinoligosackarid för att inducera försvarssvar mot svamppatogenen Botrytis halal, men LYM2 krävs inte för CERK1-medierade kitinutlösta försvarssvar, vilket indikerar att det finns minst två oberoende kitinaktiverade svarsvägar i Arabidopsis [44].

Dessutom har flera andra CEBiP-homologer i Arabidopsis visat sig vara involverade i regleringen av kitinsignaltransduktion och växtimmunitet, inklusive LysM RLK1-interagerande kinas 1 (LIK1), LysM-receptorkinas 3 (LYK3), LysM receptorkinas 4 (LYK4) och LysM-receptorkinas 5 (LYK5) [37,44–47]. Flera kitinoligomerer kan inducera heterodimerisering av AtLYK5 och homodimerisering av AtCERK1, men den kitininducerade AtLYK5–AtCERK1-heterodimeren är starkare än AtCERK1-homodimeren eftersom endast AtCERK1 innehåller en kinasdomän, som också har visat sig vara ansvarig för att initiera intracellulär chitin-signal. 48].

Negativa regulatoriska faktorer spelar också en nyckelroll i uttrycket av grundläggande och tidiga patogeninducerade försvarsgener och skyddet av växttillväxt från ihållande kitininducerad immunskada [36]. Till exempel reglerar AtLYK3 och LIK1 negativt kitininducerat växtförsvar och fungerar som komponenter i det cytoplasmatiska kinaset PBL27-komplexet. Plant U-box protein 12 (PUB12) reglerar negativt kitin-inducerad immunitet [36,45,47]. Kitinaktiverad AtCERK1 defosforylerar sin 428 tyrosinrester genom att rekrytera CIPP1, som kan användas som en negativ återkopplingsmekanism för att blockera kitinsignaltransduktion [38]. Men hur växter balanserar dessa positiva och negativa signalsystem eller om de förlitar sig på andra signalmolekyler är fortfarande okänt.

Slutligen är immunsvaret ett komplext och exakt nätverk som inkluderar flera signalerande korssamtal under växt-patogeninteraktioner, och LysMs är inget undantag [46]. AtLYK3 är involverad i hormonet abscisinsyra (ABA)-medierad negativ överhörning med växtimmunsvar [46]. LIK1 reglerar positivt jasmonsyra/eten (JA/ET) hormonsignalering och reglerar negativt kitininducerade växtförsvarssvar [47]. LysM-domänen av EMBRYO SAC 1 (OsEMSA1A) är ansvarig för utvecklingen och funktionen av embryoblastocyster [49]. CERK1 krävs som svar på både arbuskulär mykorrhiza (AM) symbios och växtsaltstress [50-53]. Dessa resultat tyder på att CERK1, förutom dess inblandning i immunsvaret som RLK, också utför två eller flera mekaniskt oberoende funktioner. Till exempel kan CERK1 spela en roll i celldödskontroll oberoende av kitin och är inte beroende av dess kinasaktivitet [54].

Kitinoligosackariden -1,4-N-acetylglukosaminoligomerer (GlcNAc), som fungerar som den enda svampcellväggsglykosidstrukturen, fungerar också som MAMPs i växter, men de ogrenade -1,{ {4}}glukan av gurka polyphyly oligosackarider kan också orsaka CERK1-receptormedierad PAMP-utlöst immunitet (PTI) i Arabidopsis [55]. Arabidopsis CERK1 förmedlar växtimmunitet som svar på icke-värdresistens mot Fusarium oxysporum [56]. OsCERK1 har nyligen föreslagits ha en ytterligare roll i att orsaka ett bakteriellt lipopolysackarid (LPS)-inducerat immunsvar i ris [54]. Arabidopsis cerk1-4 mutanta alleler misslyckades med att ackumulera extracellulära proteinhydrolysat, vilket ledde till förbättring av känslighet eller induktion av åldrande [54]. Eftersom cerk1-4, växter uppvisade normala kitinsvar, var celldöd inte relaterad till kinasaktiviteten hos AtCERK1 [54]. Rollen för AtCERK1 i salttolerans vid Arabidopsis har också rapporterats, AtCERK1 interagerar med kalciumkanalprotein ANNEXIN 1 (ANN1), som är ansvarigt för saltinducerat kalciumflöde inåt [50].

2.2. LysM i andra växter

CERK1-homologer har också viktiga biologiska funktioner i andra växter, särskilt i immunitetsmanipulationer [57-59]. LysM-innehållande proteiner differentieras också funktionellt i en mängd olika cellulära processer. LysM-innehållande protein 1 i mullbär (MmLYP1), en CEBiP-homolog, har en hämmande effekt på olösligt kitin och förlitar sig på LysM-innehållande proteiner 2 (MmLYK2, CERK1-homolog) under infektioner av ascomyceter [60]. I bomull har två LysM-receptorliknande kinaser, Gh-LYK1 och Gh-LYK2, en viss effekt på bomulls motståndskraft mot Verticillium vissnesjuka. Alla tre LysM-domänerna av Gh-LYK1 och Gh-LYK2 krävs för deras kitinbindande förmåga, och virusinducerad gentystnad (VIGS) av Gh-LYK1 och Gh-LYK2 i bomullsplantor äventyrar resistens mot Verticillium dahliae.

Gh-LYK2 och Gh-LYK1 kan dock bidra olika till försvaret i bomull. Gh-LYK2, men inte Gh-LYK1, är ett pseudokinas, och ED av Gh-LYK2 kan inducera ROS-burst i växter [58]. GhWAK7A i bomull interagerar direkt med GhLYK5 och GhCERK1 och främjar kitin-inducerad GhLYK5-GhCERK1-dimerisering, som spelar en viktig roll i det kitin-inducerade svaret [61]. Dessutom är LysM-typ receptorliknande protein 1 (LYP1), LysM-innehållande receptorliknande kinas 7 (LYK7) och extracellulärt LysM protein 3 (LysMe3) membranreceptorer som känner igen kitinsignaler, vilket kan aktivera nedströms försvarsprocesser och öka resistens. till V. dahliae [62]. Till skillnad från ris OsCERK1 uppvisar LysM-proteiner i tomat signifikant funktionell divergens [63]: i tomat deltar SlLYK10 och SlLYK12 i regleringen av AM-symbios, SlLYK1 deltar i det kitininducerade immunsvaret och SlLYK13 är involverat i celldöd [57 ,64]. AtCERK1-homologen från äpple, MdCERK1, förbättrar resistensen mot Alternaria alternata [59]. Pteris ryukyuensis kitinas-A (PrChiA) har en kitinbindande och svampdödande aktivitet [65], medan Equisetum arvense kitinas-A (EaChiA) inte har [66]. Den huvudsakliga strukturella skillnaden mellan PrChiA och EaChiA är antalet LysM-domäner [66], men det finns inga data som tyder på att detta är relaterat till skillnader i antifungal aktivitet. Dessutom har närvaron av LysM-proteiner i äpplen, vindruvor, potatis och äppelträd också identifierats och visat sig delta i kitin-inducerade immunsvar [59,67-69]. LysM-proteiner i ärtor, petunior och alfalfa är involverade i växtens AM-symbios [70-73].

3. LysM hämmar kitinsignalering i svampar

Många svamppatogener kodar för exosomala effektorer som innehåller samma LysM-domän som växternas kitinreceptorer. De flesta svamppatogener hämmar kitin-inducerad växtimmunitet genom att blockera kitinavkänning eller signalering [74-79]. Ecp6 i Cladosporium flavum, den första LysM-domäneffektorn som upptäcktes, kelerar kitin under infektion [74]. Kitinoligosackarider som frigörs från cellväggen i det invaderande myceliet genom cellys eller bryts ned av växtkitinaser binder till kitinoligomerer för att förhindra växtuppfattning, vilket blockerar växtimmuniteten som utlöses av kitin [74,75]. Därefter har en sats av svamp LysM-effektorer som är involverade i hämningen av växtimmunitet upptäckts.

Colletotrichum higginsianum extracellulära LysM strukturella proteiner ChELP1 och ChELP2 från ascomycetesvampen som orsakar antraknossjukdom hos växter spelar en dubbel roll i bindning, cellfunktion och kitinutlöst växtimmunsuppression. ChELP1 och ChELP2 spelar en viktig roll för att upprätthålla virulensen hos svampar och deras förmåga att penetrera Arabidopsis epidermisceller och cellofanmembran [79]. Fungalysinmetalloproteas i majsantraknossvampen Colletotrichum graminicola (Cgfl) innehåller inte bara två LysM-domäner, utan även zinkmetalloproteinaser från den konserverade katalytiska platsen HEXXH-domänen och är allmänt konserverad i svampar. Vid angrepp av majs uttrycks Cgfl specifikt under den biotrofiska fasen, och det visades att svampen använder både Cgfl-medierade och LysM-proteinmedierade strategier för att kontrollera kitinsignaler genom att undertrycka värdens kitinasaktivitet [80]. På liknande sätt förlitar sig rissprängsvampen Magnaporthe oryzae inte bara på LysM-proteinet SLP1 utan också på hjälpaktivitetsfamiljen 9 protein (Aa9) homolog MoAa91 (av M. oryzae) som krävs för ytigenkänning såväl som för att undertrycka kitininducerad växtens immunsvar. MoAa91 regleras av G-proteinsignalering (RGS) och RGS-liknande proteiner som krävs för appressoriumutveckling och utsätts även för negativ reglering av transkriptionsfaktorn MoMsn2. MoAa91-mutanten bildade omogna vidhäftande celler vid det artificiellt inducerade gränssnittet och gendeletionsmutanterna minskade signifikant patogeniciteten.

Ytterligare studier visade att MoAa91 utsöndras i det exosomala utrymmet där det binder till kitin- och kitinoligosackariderna genom att konkurrera med risimmunreceptorn CEBiP, vilket resulterar i hämning av kitin-inducerade växternas immunsvar [81]. ZtGT2-protein från vetepatogenen Zymoseptoria tritici har funktionen att upprätthålla den yttersta ytan av svampens cellvägg och hjälper till att förlänga hyferna på de fasta ytorna. Den är utbredd i svampar och dess förlust resulterade i förlusten av patogenvirulens på värdytan till följd av handikappet i hyphal extension. En mutation i ZtGT2-ortologen i den patogena svampen Fusarium graminearum resulterade i konstitutivt förstärkt uttryck av flera transmembraner och utsöndrade proteiner, inklusive den viktiga LysM-domänen Zt3LysM, en LysM-domän-kitinbindande virulenseffektor. Även om vidhäftningen till bladytor var opåverkad i de besläktade F. graminearum-mutanterna, resulterade en allvarlig försämring av hyphal tillväxt i mutanterna i en liknande förlust av patogenicitet i denna taxonomiskt orelaterade svamp på veteöronen [82].

Mycosphaerella graminicola som orsakar Septoria tritici fläcksjukdomen hos vete bär effektorerna Mg1LysM och Mg3LysM som är homologer till effektorproteinet extracellulärt protein 6 (Ecp6) från den biotrofiska bladmögelsvamppatogenen Cladosporium fulvum. Tidigare arbete har visat att dessa svampeffektorer kan binda kitin, vilket i sin tur skyddar svamphyfer mot växthärledda kitinaser, troligen genom att hjälpa patogenen att undvika värdens immunsvar aktiverat genom kitinreceptorerna CERK1 och CEBiP [76,77]. LysM-strukturproteinet från Magnaporthe grisea som utsöndrar ett effektorprotein, utsöndrat LysM-protein 1 (SLP1) och Rhizoctonia solani LysM-effektor (RsLysM) hämmar kitinutlöst immunitet genom att binda kitin, men de kan inte skydda hyferna från hydrolys [76,77, 83]. En studie av 18 förmodade LysM-proteiner i Penicillium spp. fann att uttrycksnivåerna av PeLysM1, PeLysM2, PeLysM3 och PeLysM4 ökade signifikant under patogeninfektion, men påverkade inte svampvirulensen. PeLysM3 visade sig också reglera sporers groning och tillväxthastighet [84].

Svamp-LysMs är emellertid inte alltid bara involverade i manipuleringen av växtimmunitet, vilket resulterar i skadliga effekter på värden. En utsöndrad LysM-effektor identifierad från modellen arbuscular mycorrhiza (AM) svamparter Rhizophagus irregularis (RiSLM) är ett av de högst uttryckta effektorproteinerna i det intraradikala myceliet under symbios med värden Medicago truncatula. In vitro-bindningsexperiment har visat att RiSLM binder till kitinoligosackarider för att skydda svampcellväggar från kitinas. Dessutom kan RiSLM effektivt störa immunsvaret som utlöses av kitin för att undergräva kitin-utlöst immunitet under symbios, vilket pekar på en gemensam roll för LysM-effektorer i både symbiotiska och patogena svampar någon gång i evolutionen [85,{{2} }]. På liknande sätt använder den välgörande svampen Trichoderma viride effektorer som Tal6 som binder GlcNAc-oligomerer, och stör därigenom uppfattningen av svamphärledd N-acetylglukosamin av växtens övervakningsmaskineri vilket leder till skydd av svamphyfer från värdens kitinaser [87].

N-glykosylering som en post-transkriptionell modifiering är en typisk mekanism för effektorer som används i stor utsträckning av svamppatogener för att modulera deras förmåga att undvika värdimmunitet [88]. Den Alg3-förmedlade N-glykosyleringen av Slp1 krävs för dess proteinstabilitet och kitinaffinitet. N-glykosylering med hjälp av Slp1 krävs för att undvika värdens medfödda immunitet [88]. ChELP1 och ChELP2 är också N-glykosylerade [79]. Dessa studier tyder på att N-glykosylering är väsentlig och är en vanlig modifiering för svamp LysM-effektorer för att uppnå ultrahög kitinaffinitet [88]. Storskalig identifiering och jämförelse av N-glykosyleringsproteiner vid olika biologiska utvecklingsstadier av den patogena svampen Magnaporthe oryzae visade att 559 N-glykosyleringsställen av 355 proteiner identifierades; de flesta av dem är involverade i olika biologiska utvecklingsprocesser, såsom mycel, konidier och cellvidhäftning och differentiering [89].

4. LysM låser manipulation av immunitetssvaren mellan växter och patogener

Den nuvarande synen på de inducerbara försvarssvaren i växt-patogeninteraktioner är väl fångad i den så kallade sicksackmodellen. I denna modell aktiveras det första inducerade försvaret av PRR, och PRR är cellytereceptorer som känner igen MAMP [90]. Detta försvarssvar inkluderar lokal cellväggsförstärkning, produktion av reaktiva syrearter och produktion och frisättning av antimikrobiella föreningar, som tillsammans förhindrar de flesta mikrobiella invasioner [1,3,7,90]. När patogener framgångsrikt övervinner värdens försvar genom att använda utsöndrade effektorer, etableras effektorutlöst känslighet, vilket är ett nyckelelement i sicksackmodellen [1]. LysM-proteiner, de viktiga medlemmarna som finns både i växter och svampar, bör spela en viktig roll för att koppla ihop immunitetsmoduleringen mellan växter och patogener.

Under interaktioner mellan svamp och växt, när svampar bryter igenom den första växtens barriär och engagerar värdens yta, fungerar växt-LysM-proteiner som PRR för att känna igen kitin och inducera immunitet. Anläggningen använder sekretoriskt kitinas för att hydrolysera svampens cellvägg för att frigöra fritt oligokitin. Därefter överförs försvarssignaler av det nedströms LysM cytoplasmatiska kinaset, vilket utlöser växtens immunsvar för att undertrycka spridningen av svampar. Omvänt utsöndrar svampar LysM-proteiner för att undertrycka kitin-inducerad immunitet. Mikrobiella LysM-proteiner skyddar svampens cellvägg från hydrolys genom att binda till den yttersta ytan eller konkurrera med växtens LysM-receptorer för att binda kitinfragment och slutligen övervinna växtimmunitet för att underlätta svampinfektionen.

Således kopplar LysM-proteiner samman immunitetsmanipulationen mellan växter och patogener. Detta har visats väl i Verticillium spp. I bomull har flera LysM-proteiner en viss effekt på bomulls motståndskraft mot Verticillium vissnesjuka, inklusive Gh-LYK1, Gh-LYK2 och GhLYK5 [58], genom sin kitinbindande förmåga. Hos V. dahliae bidrar effekten av LysM av Vd2 till patogenens virulens och binder kitin för att undertrycka kitininducerade immunsvar, och skyddar därigenom svamphyfer mot hydrolys av växtens hydrolytiska enzymer [91]. Patogener använder inte bara LysM-effektorer för att blockera växtimmunitet genom att interagera med kitinpolymeren för att skydda myceliet, eftersom Verticillium alfalfa också utsöndrar det Verticillium nonalfalfae kitinbindande proteinet (VnaChtBP) som innehåller en kolhydratbindande motiv 18 (CBM18) domän som interagerar med kitinpolymeren [92]. Dessutom fann en nyligen genomförd studie på V. dahliae att deletionen av en polysackarid-deacetylasgen (VdPDA1) allvarligt påverkade patogeniciteten hos V. dahliae [93]. VdPDA1 har en stark kitinoligomer deacetylasaktivitet på lösliga kitinoligosackarider i den alkaliska miljön. Ytterligare studier avslöjade att deacetylerade kitinoligosackarider hindrar igenkänningen av LysM-receptorer, vilket leder till blockering av chitin-sens immunsignalöverföring i intracellulärt, vilket undertrycker värdens immunsvar under värd-V. dahliae interaktion [93]. Därför kan patogena svampar blockera kitinsignalering genom att (1) utsöndra extracellulära kroppseffektorer med hög affinitet för kitinoligomerer, (2) utsöndra effektorer som konkurrerar med kitin om att binda till växt LysM-receptorkinaser, (3) deacetylera kitin för att undvika immunsvaret

5. Slutsatser och perspektiv för framtidsstudier

Den samevolutionära kapprustningen mellan svampar och växter resulterar i en växts försvarssvar mot svampkitin via immunitetsmanipulation mellan växter och patogener. Framgångsrika svampar har utvecklat LysM effektorproteiner som stör växtens LysMmedierade immunsvar som så småningom leder till växtmottaglighet. I sin tur har växter utvecklat LysM-receptorer för att stimulera försvarssvar. När svampar utvecklas för att producera nya LysM-effektorer eller stör värdimmuniteten på andra sätt, tror man att växter också kommer att svara med nya LysM-receptorer för att upprätthålla växtimmunitet.

Långt från att förstå LysM-proteinerna i växter och svampar, prioriterade frågor för att driva forskning inom den närmaste framtiden inkluderar följande: (1) den nuvarande förståelsen av svampens LysM-effektorer och deras hämmande mekanismer i växtkitinsignalering behöver ytterligare framsteg, inklusive den framväxande roll för andra svampeffektorer involverade i att sammankoppla immunitetsmodulering av både värden och patogenen, eller upptäckten av okända växt-LysM-receptorer, etc.; (2) identifiering av de olika/gemensamma egenskaperna hos LysM-proteiner hos växter och svampar och deras evolutionära relationer (detta skulle underlätta en förståelse av samevolutionen av hur LysM sammankopplar immunitetsmanipulationen mellan växter och patogener); (3) förutom immunitetsmanipulationsfunktionen under växt-svamp-interaktioner, vilka andra funktioner av LysM-proteiner är, särskilt i svampar (utöver de medlemmar som är involverade i immunitetsmanipulation, är de biologiska funktionerna hos vissa andra medlemmar av LysM-proteiner fortfarande oklar); och (4) svamp-LysM-proteiner fungerar som effektorer för att skydda cellväggen från hydrolys av växtkitinaser och manipulera immuniteten under växt-svamp-interaktioner. LysM-proteiners roll i AM-symbios behöver dock också ytterligare utredning för att underlätta användningen av nyttiga mikrober för växthälsa och för att uppnå en hållbar livsmedelssäkerhet.

Författarbidrag:

X.-YY och X.-FD tänkte ut ämnet för tidningen. S.-PH skrev det ursprungliga utkastet. J.-JL, J.-PL och WJ deltog i utarbetandet och granskningen av manuskriptet. ND och J.-YC gav redigeringshjälp. Alla författare har läst och samtyckt till den publicerade versionen av manuskriptet.

Finansiering:

Detta arbete stöddes av anslag från Kinas nationella nyckelforsknings- och utvecklingsprogram (2018YFE0112500), Elite-ungdomsprogrammet (Chinese Academy of Agricultural Sciences, CAAS) till J.-YC, anslaget för Agricultural Science and Technology Innovation Program till X. -FD, och ett anslag från National Natural Science Foundation of China (32001845) till WJ

Utlåtande av institutionell granskningsnämnd:

Inte tillämpbar.

Informerat samtycke:

Inte tillämpbar.

Datatillgänglighetsförklaring:

Inte tillämpbar.

Erkännanden:

Vi ber på förhand om ursäkt till alla utredare vars forskning inte kunde citeras korrekt på grund av utrymmesbegränsningar. Vi riktar vårt särskilda tack till Krishna V. Subbarao (University of California, Davis) för deras användbara förslag.

Intressekonflikt:

Författarna förklarar ingen intressekonflikt.

Referenser

1. Zipfel, C. Växtmönsterigenkännande receptorer. Trender Immunol. 2014, 35, 345–351. [CrossRef]

2. Nürnberger, T.; Kemmerling, B. Receptorproteinkinaser-mönsterigenkänningsreceptorer i växtimmunitet. Trender Plant Sci. 2006, 11, 519–522. [CrossRef]

3. Lu, Y.; Tsuda, K. Intim association av PRR- och NLR-medierad signalering i växtimmunitet. Mol. Växtmikrober interagerar. 2021, 34, 3–14. [CrossRef]

4. Li, B.; Lu, D.; Shan, L. Ubiquitination av mönsterigenkänningsreceptorer i växtens medfödda immunitet. Mol. Plant Pathol. 2014, 15, 737–746. [CrossRef]

5. Chisholm, ST; Coaker, G.; Dag, B.; Staskawicz, BJ Värd-mikrobinteraktioner: Forma utvecklingen av växtimmunsvaret. Cell 2006, 124, 803–814. [CrossRef] [PubMed]

6. Yu, X.; Feng, B.; Han, P.; Shan, L. Från kaos till harmoni: svar och signalering vid identifiering av mikrobiellt mönster. Annu. Rev. Phytopathol. 2017, 55, 109–137. [CrossRef] [PubMed]

7. Newman, MA; Sundelin, T.; Nielsen, JT; Erbs, G. MAMP (mikrob-associerat molekylärt mönster) utlöste immunitet i växter. Främre. Plant Sci. 2013, 4, 139. [CrossRef] [PubMed]

8. Cui, H.; Tsuda, K.; Parker, J. Effektorutlöst immunitet: Från patogenperception till robust försvar. Annu. Rev. Plant Biol. 2015, 66, 487–511. [CrossRef]

9. Dubey, M.; Vélëz, H.; Broberg, M.; Jensen, DF; Karlsson, M. Clonostachys rosea LysM-proteiner reglerar svamputveckling och bidrar till hyfalskydd och biokontrollegenskaper. Främre. Microbiol. 2020, 11, 679. [CrossRef] [PubMed]

10. Buist, G.; Steen, A.; Kok, J.; Kuipers, OP LysM, ett vitt spritt proteinmotiv för bindning till (peptid)glykaner. Mol. Microbiol. 2008, 68, 838–847. [CrossRef]

11. Dworkin, J. Detektion av svamp- och bakteriekolhydrater: Spelar liknande strukturer av kitin och peptidoglykan en roll vid immundysfunktion? PLoS Pathog. 2018, 14, e1007271. [CrossRef] [PubMed]

12. Oi, V.; Vuong, T.; Hardy, R.; Reidler, J.; Dangle, J.; Herzenberg, L.; Stryer, L. Nukleotidsekvens för Bacillus fag phi 29 gener 14 och 15: Homologi av gen 15 med andra faglysozymer. Nucleic Acids Res. 1986, 14, 10001–10008.

13. De Wit, PJ; Mehrabi, R.; Van den Burg, HA; Stergiopoulos, I. Svampeffektorproteiner: tidigare, nutid och framtid. Mol. Plant Pathol. 2009, 10, 735–747. [CrossRef] [PubMed]

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

15. Zhang, XC; Cannon, SB; Stacey, G. Molekylär utveckling av receptorliknande kinaser av lysinmotivtyp i växter. Plant Physiol. 2007, 144, 623–636. [CrossRef]

16. Miya, A.; Albert, P.; Shinya, T.; Desaki, Y.; Ichimura, K.; Shirasu, K.; Narusaka, Y.; Kawakami, N.; Kaku, H.; Shibuya, N. CERK1, ett LysM-receptorkinas, är väsentligt för kitin-elicitorsignalering vid 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. Två LysM-receptormolekyler, CEBiP och OsCERK1, reglerar tillsammans kitin-elicitorsignalering 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. Ett LysM-receptorliknande kinas spelar en avgörande roll i kitinsignalering och svampresistens vid Arabidopsis. Plant Cell 2008, 20, 471–481. [CrossRef]

19. Iizasa, E.; Mitsutomi, M.; Nagano, Y. Direkt bindning av ett växt-LysM-receptorliknande kinas, LysM RLK1/CERK1, till kitin 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. Det LysM-receptorliknande kinaset LysM RLK1 krävs för att aktivera försvar och abiotiska stressresponser inducerade av överuttryck av svampkitinaser i Arabidopsis-växter. Mol. Anläggning 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 chaperonkomplexet underlättar mognad och transport av en PAMP-receptor i ris medfödd 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. En OsCEBiP/OsCERK1-OsRacGEF1-OsRac1-modul är en viktig tidig komponent i kitin-inducerad 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 reglering av det kitininducerade försvarssvaret av det Arabidopsis-receptorliknande cytoplasmatiska kinaset 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. Ett receptorliknande cytoplasmatiskt kinas riktat mot en växtpatogeneffektor fosforyleras direkt av kitinreceptorn och förmedlar risimmunitet. Cell Host Microbe 2013, 13, 347–357. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com