stringtranslate.com

Связь ген-ген

Взаимоотношения ген -ген — это концепция в фитопатологии , согласно которой растения и их болезни имеют отдельные гены, которые взаимодействуют друг с другом во время инфекции. Она была предложена Гарольдом Генри Флором [1] [2] [3] [4] , который работал с ржавчиной ( Melampsora lini ) льна ( Linum usitatissimum ). Флор показал, что наследование как устойчивости у хозяина, так и способности паразита вызывать болезнь контролируется парами соответствующих генов. Один из них — это ген растения, называемый геном устойчивости ( R ) . Другой — это ген паразита, называемый геном авирулентности ( Avr ). Растения, продуцирующие определенный продукт гена R, устойчивы к патогену, который продуцирует соответствующий продукт гена Avr . [5] Взаимоотношения ген-ген являются широко распространенным и очень важным аспектом устойчивости растений к болезням . Другой пример можно увидеть с Lactuca serriola против Bremia lactucae .

Клейтон Оскар Персон [6] был первым ученым, который изучал соотношения патосистем растений , а не генетические соотношения в системах хозяин-паразит. При этом он открыл дифференциальное взаимодействие, которое является общим для всех отношений ген-ген и которое теперь известно как дифференциальное взаимодействие Персона. [5]

Гены резистентности

Классы генов резистентности

Существует несколько различных классов генов R. Основные классы — это гены NBS-LRR [7] и рецепторы распознавания образов на поверхности клеток (PRR). [8] Белковые продукты генов NBS-LRR R содержат сайт связывания нуклеотидов (NBS) и богатый лейцином повтор (LRR). Белковые продукты PRR содержат внеклеточные, околомембранные, трансмембранные и внутриклеточные не-RD киназные домены. [8] [9]

В классе генов R NBS-LRR есть два подкласса: [7]

Белковые продукты , кодируемые этим классом генов устойчивости, локализуются в цитоплазме растительной клетки .

Класс генов R PRR включает ген устойчивости риса XA21, который распознает пептид ax21 [10] [11] , и пептид Arabidopsis FLS2, который распознает пептид flg22 из флагеллина.

Существуют и другие классы генов R, такие как внеклеточный класс LRR генов R; примерами служат ген Xa21D риса [12] , обеспечивающий устойчивость к Xanthomonas , и гены cf томата , обеспечивающие устойчивость к Cladosporium fulvum .

Ген устойчивости томатов Pseudomonas (Pto) принадлежит к собственному классу. Он кодирует киназу Ser/Thr, но не имеет LRR. Для его активности требуется наличие связанного гена NBS-LRR, prf .

Специфичность генов устойчивости

Специфичность гена R (распознавание определенных продуктов гена Avr) считается обусловленной повторами, богатыми лейцином . LRR — это множественные, последовательные повторы мотива длиной примерно в 24 аминокислоты , с лейцинами или другими гидрофобными остатками с регулярными интервалами. Некоторые из них также могут содержать регулярно расположенные пролины и аргинины . [13]

LRR участвуют в белок-белковых взаимодействиях, и наибольшая вариация среди генов устойчивости происходит в домене LRR. Эксперименты по замене LRR между генами устойчивости в ржавчине льна привели к изменению специфичности гена устойчивости к гену авирулентности. [14]

Рецессивные гены устойчивости

Большинство генов устойчивости являются аутосомно-доминантными , но есть некоторые, в частности ген mlo у ячменя , в котором моногенная устойчивость передается рецессивными аллелями . mlo защищает ячмень почти от всех патоваров мучнистой росы .

Гены авирулентности

Термин «ген авирулентности» остается полезным в качестве широкого термина, который обозначает ген, кодирующий любой детерминант специфичности взаимодействия с хозяином. Таким образом, этот термин может охватывать некоторые консервативные микробные сигнатуры, также называемые молекулярными паттернами, связанными с патогеном или микробом (PAMP или MAMP), и эффекторы патогена (например, бактериальные эффекторы III типа и эффекторы оомицетов), а также любые гены, которые контролируют вариации активности этих молекул. [10]

Внутриклеточное распознавание продукта гена авирулентности было впервые продемонстрировано Гопаланом и др. в 1996 году. Они обнаружили, что искусственная экспрессия avrB Pseudomonas syringae в хозяине Arabidopsis вызывала гибель клеток при сочетании с экспрессией гена хозяина R , RPM1 . Это доказало, что распознавание происходило внутриклеточно, а не на поверхности. [15]

Нет общей структуры между продуктами генов авирулентности. Поскольку не было бы эволюционного преимущества для патогена, сохраняющего белок, который служит только для того, чтобы растение его распознавало, считается, что продукты генов Avr играют важную роль в вирулентности у генетически восприимчивых хозяев.

Пример: AvrPto — небольшой белок с тройной спиралью, который, как и несколько других эффекторов, нацелен на плазматическую мембрану путем N-миристоилирования. [16] AvrPto — ингибитор доменов киназы PRR. PRR сигнализируют растениям о необходимости индуцировать иммунитет при обнаружении PAMP. [17] [18] Способность нацеливаться на рецепторные киназы необходима для функции вирулентности AvrPto в растениях. Однако Pto — это резистентный ген, который может обнаруживать AvrPto и также индуцировать иммунитет. [19] AvrPto — древний эффектор, который сохраняется во многих штаммах P. syringae , тогда как ген Pto R обнаружен только у нескольких видов диких томатов. [18] Это говорит о недавней эволюции гена Pto R и давлении, направленном на то, чтобы нацелиться на AvrPto, превратив эффектор вирулентности в эффектор авирулентности.

В отличие от MAMP или PAMP класса avr генов, которые распознаются PRR хозяина, мишенями бактериальных эффекторных avr белков, по-видимому, являются белки, участвующие в передаче сигналов врожденного иммунитета растений , поскольку было показано, что гомологи Avr генов у патогенов животных делают это. Например, семейство белков AvrBs3 обладает доменами связывания ДНК , сигналами ядерной локализации и доменами кислотной активации и, как полагают, функционирует путем изменения транскрипции клеток хозяина. [20]

гипотеза охраны

Только в некоторых случаях наблюдается прямое взаимодействие между продуктом гена R и продуктом гена Avr. Например, как FLS2, так и XA21 взаимодействуют с микробными пептидами. Напротив, для класса генов R NBS-LRR прямое взаимодействие не было показано для большинства пар R/avr. Это отсутствие доказательств прямого взаимодействия привело к формированию гипотезы защиты для класса генов R NBS-LRR. [21]

Эта модель предполагает, что белки R взаимодействуют или охраняют белок, известный как guardee, который является целью белка Avr. Когда он обнаруживает помехи с guardee-белком, он активирует сопротивление.

Несколько экспериментов подтверждают эту гипотезу, например, ген Rpm1 в Arabidopsis thaliana способен реагировать на два совершенно не связанных фактора авирулентности из Pseudomonas syringae . Белок-защитник — это RIN4, который гиперфосфорилируется белками Avr. Другое громкое исследование, подтверждающее гипотезу о защитнике, показывает, что пара RPS5 использует PBS1, протеинкиназу, в качестве защитника против AvrPphB. [22]

Дрожжевые двухгибридные исследования взаимодействия томата Pto/Prf/AvrPto показали, что белок авирулентности AvrPto взаимодействовал напрямую с Pto, несмотря на то, что у Pto нет LRR. Это делает Pto белком-охранником, который защищен белком NBS-LRR Prf. Однако Pto является геном устойчивости сам по себе, что является аргументом против гипотезы охранника. [23]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Flor HH (1942). «Наследование патогенности у Melampsora lini ». Фитопат . 32 : 653–669.
  2. ^ Flor HH (1947). «Наследование реакции на ржавчину у льна». J. Agric. Res . 74 : 241–262.
  3. ^ Flor HH (1955). «Взаимодействие хозяина и паразита при ржавчине льна — его генетика и другие последствия». Фитопатология . 45 : 680–685.
  4. ^ Flor HH (1971). «Современное состояние концепции ген-для-гена». Annu Rev Phytopathol . 9 : 275–296. doi :10.1146/annurev.py.09.090171.001423.
  5. ^ ab Robinson RA (1987). Управление хозяевами в патосистемах сельскохозяйственных культур . Macmillan Publishing Company.
  6. ^ Person CO (1959). «Взаимоотношения генов в паразитических системах». Can. J. Bot . 37 (5): 1101–1130. doi :10.1139/b59-087.
  7. ^ ab McHale L, Tan X, Koehl P, Michelmore RW (2006). "Растительные белки NBS-LRR: адаптивные охранные устройства". Genome Biology . 7 (4): 212. doi : 10.1186/gb-2006-7-4-212 . PMC 1557992 . PMID  16677430. 
  8. ^ ab Song WY, Wang GL, Chen LL, Kim HS, Pi LY, Holsten T и др. (декабрь 1995 г.). «Рецепторный белок, подобный киназе, кодируемый геном устойчивости к болезням риса, Xa21». Science . 270 (5243): 1804–1806. Bibcode :1995Sci...270.1804S. doi :10.1126/science.270.5243.1804. PMID  8525370. S2CID  10548988.
  9. ^ Дардик К, Рональд П (январь 2006 г.). «Распознавание рецепторов патогенов растений и животных через не-RD киназы». PLOS Pathogens . 2 (1): e2. doi : 10.1371/journal.ppat.0020002 . PMC 1331981. PMID  16424920 . 
  10. ^ ab Lee SW, Han SW, Sririyanum M, Park CJ, Seo YS, Ronald PC (ноябрь 2009 г.). «Секретивный сульфатированный пептид I типа запускает врожденный иммунитет, опосредованный XA21». Science . 326 (5954): 850–853. Bibcode :2009Sci...326..850L. doi :10.1126/science.1173438. PMID  19892983. S2CID  8726419.(Отозвано, см. doi :10.1126/science.342.6155.191-a, PMID  24115421, Retraction Watch . Если это преднамеренная ссылка на отозванную статью, замените на . ){{retracted|...}}{{retracted|...|intentional=yes}}
  11. ^ Pruitt RN, Schwessinger B, Joe A, Thomas N, Liu F, Albert M и др. (июль 2015 г.). «Иммунный рецептор риса XA21 распознает тирозин-сульфатированный белок грамотрицательной бактерии». Science Advances . 1 (6): e1500245. Bibcode :2015SciA....1E0245P. doi :10.1126/sciadv.1500245. PMC 4646787 . PMID  26601222. 
  12. ^ Wang GL, Ruan DL, Song WY, Sideris S, Chen L, Pi LY и др. (май 1998 г.). «Xa21D кодирует рецептороподобную молекулу с богатым лейцином повторяющимся доменом, который определяет специфичное для расы распознавание и подвержен адаптивной эволюции». The Plant Cell . 10 (5): 765–779. doi :10.2307/3870663. JSTOR  3870663. PMC 144027 . PMID  9596635. 
  13. ^ Zhang L, Meakin H, Dickinson M (ноябрь 2003 г.). «Изоляция генов, экспрессируемых во время совместимых взаимодействий между листовой ржавчиной (Puccinia triticina) и пшеницей с использованием cDNA-AFLP». Molecular Plant Pathology . 4 (6): 469–477. doi : 10.1046/j.1364-3703.2003.00192.x . PMID  20569406.
  14. ^ DeYoung BJ, Innes RW (декабрь 2006 г.). «Растительные белки NBS-LRR в распознавании патогенов и защите хозяина». Nature Immunology . 7 (12): 1243–1249. doi :10.1038 / ni1410. PMC 1973153. PMID  17110940. 
  15. ^ Whitham SA, Qi M, Innes RW, Ma W, Lopes-Caitar V, Hewezi T (август 2016 г.). «Молекулярные взаимодействия сои и патогенов». Ежегодный обзор фитопатологии . 54 (1). Ежегодные обзоры : 443–468. doi :10.1146/annurev-phyto-080615-100156. PMID  27359370.
  16. ^ Wulf J, Pascuzzi PE, Fahmy A, Martin GB, Nicholson LK (июль 2004 г.). «Структура раствора эффекторного белка типа III AvrPto раскрывает конформационные и динамические особенности, важные для патогенеза растений». Structure . 12 (7): 1257–1268. doi : 10.1016/j.str.2004.04.017 . PMID  15242602.
  17. ^ Xin XF, He SY (2013). «Pseudomonas syringae pv. томат DC3000: модельный патоген для исследования восприимчивости к болезням и гормональной сигнализации у растений». Annual Review of Phytopathology . 51 : 473–98. doi :10.1146/annurev-phyto-082712-102321. PMID  23725467.
  18. ^ ab Xiang T, Zong N, Zou Y, Wu Y, Zhang J, Xing W и др. (январь 2008 г.). «Эффектор Pseudomonas syringae AvrPto блокирует врожденный иммунитет, воздействуя на рецепторные киназы». Current Biology . 18 (1): 74–80. doi : 10.1016/j.cub.2007.12.020 . PMID  18158241.
  19. ^ Deslandes L, Rivas S (ноябрь 2012 г.). «Поймай меня, если сможешь: бактериальные эффекторы и растительные цели». Trends in Plant Science . 17 (11): 644–655. doi :10.1016/j.tplants.2012.06.011. PMID  22796464.
  20. ^ Lahaye T, Bonas U (октябрь 2001 г.). «Молекулярные секреты бактериальных эффекторных белков III типа». Trends in Plant Science . 6 (10): 479–485. doi :10.1016/S1360-1385(01)02083-0. PMID  11590067.
  21. ^ Van der Biezen EA, Jones JD (декабрь 1998 г.). «Белки устойчивости растений к болезням и концепция гена-на-ген». Trends in Biochemical Sciences . 23 (12): 454–456. doi :10.1016/S0968-0004(98)01311-5. PMID  9868361.
  22. ^ Shao F, Golstein C, Ade J, Stoutemyer M, Dixon JE, Innes RW (август 2003 г.). «Расщепление Arabidopsis PBS1 бактериальным эффектором III типа». Science . 301 (5637): 1230–1233. Bibcode :2003Sci...301.1230S. doi :10.1126/science.1085671. PMID  12947197. S2CID  6418384.
  23. ^ Grzeskowiak L, Stephan W, Rose LE (октябрь 2014 г.). «Эпистатический отбор и коадаптация в комплексе устойчивости Prf дикого томата». Инфекция, генетика и эволюция . 27 : 456–471. doi : 10.1016/j.meegid.2014.06.019. hdl : 10449/23790 . PMID  24997333.