Сверхчувствительная реакция ( ГР ) – механизм, используемый растениями для предотвращения распространения инфекции микробными возбудителями . HR характеризуется быстрой гибелью клеток в локальной области, окружающей инфекцию , и служит для ограничения роста и распространения патогенов на другие части растения . Он аналогичен врожденной иммунной системе, обнаруженной у животных , и обычно предшествует более медленному системному ответу (всего растения), который в конечном итоге приводит к системной приобретенной резистентности (SAR). [1] HR наблюдается у подавляющего большинства видов растений и индуцируется широким спектром растительных патогенов , таких как оомицеты , вирусы , грибы и даже насекомые . [2]
HR обычно рассматривается как эффективная стратегия защиты против биотрофных патогенов растений , которым необходимы живые ткани для получения питательных веществ . В случае некротрофных патогенов HR может быть даже полезен для патогена , поскольку для получения питательных веществ им требуются мертвые растительные клетки . Ситуация усложняется при рассмотрении таких возбудителей , как Phytophthora infestans , которые на начальных стадиях заражения действуют как биотрофы, но в дальнейшем переходят к некротрофному образу жизни. Предполагается, что в этом случае HR может быть полезен на ранних стадиях инфекции , но не на более поздних стадиях. [3]
Первое представление о том, как возникает реакция гиперчувствительности, пришло из модели Гарольда Генри Флора « ген за геном» . Он постулировал, что каждому гену устойчивости (R), кодируемому растением , соответствует ген авирулентности (Avr), кодируемый микробом . Растение устойчиво к патогену , если при взаимодействии растения с патогеном присутствуют оба гена Avr и R. [4] Гены , участвующие во взаимодействии растений и патогенов, имеют тенденцию развиваться очень быстрыми темпами . [5]
Очень часто устойчивость, опосредованная R-генами, обусловлена тем, что они индуцируют HR, что приводит к апоптозу . Большинство R-генов растений кодируют белки NOD-подобных рецепторов (NLR) . [6] Архитектура домена белка NLR состоит из домена NB-ARC, который представляет собой нуклеотидсвязывающий домен , ответственный за конформационные изменения, связанные с активацией белка NLR . В неактивной форме домен NB-ARC связан с аденозиндифосфатом (ADP). Когда обнаруживается патоген , АДФ заменяется на аденозинтрифосфат (АТФ), и это вызывает конформационные изменения в белке NLR , что приводит к HR. На N-конце NLR имеет либо домен рецептора Toll-интерлейкина (TIR) (также обнаруженный в толл-подобных рецепторах млекопитающих ), либо мотив спиральной спирали (CC). Оба домена TIR и CC участвуют в гибели клеток во время HR. С-конец NLR состоит из мотива богатого лейцином повтора (LRR), который участвует в распознавании факторов вирулентности патогена . [7]
HR запускается растением, когда оно распознает патоген . Идентификация патогена обычно происходит, когда продукт гена вирулентности , секретируемый патогеном , связывается или опосредованно взаимодействует с продуктом гена R растения . Гены R высоко полиморфны , и многие растения производят несколько различных типов продуктов гена R , что позволяет им распознавать продукты вирулентности, продуцируемые многими различными патогенами . [8]
На первой фазе HR активация R-генов запускает поток ионов , включающий отток гидроксида и калия наружу из клеток и приток ионов кальция и водорода в клетки. [9]
На второй фазе клетки, участвующие в HR, генерируют окислительный взрыв , производя активные формы кислорода (АФК), супероксидные анионы , перекись водорода , гидроксильные радикалы и закись азота . Эти соединения влияют на функцию клеточных мембран , частично вызывая перекисное окисление липидов и вызывая повреждение липидов. [9]
Изменение ионных компонентов в клетке и распад клеточных компонентов в присутствии АФК приводят к гибели пораженных клеток, а также к образованию локальных повреждений . Активные формы кислорода также вызывают отложение лигнина и каллозы , а также перекрестное сшивание предварительно сформированных богатых гидроксипролином гликопротеинов , таких как P33, с матриксом стенки через тирозин в мотиве PPPPY. [9] Эти соединения служат для укрепления стенок клеток, окружающих инфекцию , создавая барьер и препятствуя распространению инфекции . [10] Активация HR также приводит к нарушению цитоскелета, функции митохондрий и метаболическим изменениям, которые могут быть причастны к гибели клеток. [11] [12] [13]
HR можно активировать двумя основными способами: напрямую и косвенно. Прямое связывание факторов вирулентности с NLR может привести к активации HR. Однако, похоже, это довольно редкое явление. Чаще всего факторы вирулентности нацелены на определенные клеточные белки , которые они модифицируют, и эта модификация затем воспринимается NLR. Косвенное распознавание, по-видимому, более распространено, поскольку несколько факторов вирулентности могут модифицировать один и тот же клеточный белок с одинаковыми модификациями, что позволяет одному рецептору распознавать несколько факторов вирулентности . [14] Иногда белковые домены , на которые воздействуют факторы вирулентности, интегрируются в NLR. Примером этого может служить устойчивость растений к патогену рисового взрыва , где RGA5 NLR имеет домен, связанный с тяжелыми металлами (HMA) , интегрированный в его структуру, на который нацелено множество эффекторных белков . [15]
Пример непрямого узнавания: AvrPphB — эффекторный белок III типа, секретируемый Pseudomonas syringae . Это протеаза , которая расщепляет клеточную киназу PBS1. Модифицированная киназа распознается RPS5 NLR. [16]
Недавние структурные исследования белков CC-NLR показали, что после обнаружения факторов вирулентности NLR собираются в пентамерную структуру, известную как резистосома. Резистосома, по-видимому, имеет высокое сродство к клеточной мембране . Когда резистосома собрана, из N-конца каждого NLR торчит спираль , и это создает пору в мембране, которая позволяет происходить утечке ионов и, таким образом, клетка умирает . Однако этот механизм можно предположить только на основании структуры, и в настоящее время нет механистических исследований, подтверждающих это. До сих пор неизвестно, как активируются белки TIR-NLR. Недавние исследования показывают, что им требуются белки CC-NLR , расположенные ниже них, которые затем активируются для формирования резистосом и индуцирования HR. [17]
Известно, что NLR могут функционировать индивидуально, но бывают случаи, когда белки NLR работают парами. Пара состоит из сенсора NLR и вспомогательного NLR. Сенсор NLR отвечает за распознавание эффекторного белка, секретируемого патогеном , и активацию хелперного NLR, который затем осуществляет гибель клеток . Гены как сенсорного, так и соответствующего хелперного NLR обычно спарены в геноме , и их экспрессия может контролироваться одним и тем же промотором . Это позволяет разделять функциональную пару, а не отдельные компоненты, во время деления клетки , а также гарантирует, что в клетке образуются равные количества обоих NLR. [18]
Пары рецепторов действуют посредством двух основных механизмов: негативной регуляции или сотрудничества.
В сценарии негативной регуляции сенсорный NLR отвечает за негативную регуляцию хелперного NLR и предотвращение гибели клеток в нормальных условиях. Однако когда эффекторный белок вводится и распознается сенсором NLR, негативная регуляция хелперного NLR снимается и индуцируется HR. [19]
В механизмах сотрудничества, когда сенсорный NLR распознает эффекторный белок, он передает сигнал хелперному NLR, тем самым активируя его. [20]
Недавно было обнаружено, что растительные NLR не только действуют как одиночки или пары, но и могут действовать в сетях. В этих сетях обычно имеется множество сенсорных NLR, соединенных с относительно небольшим количеством вспомогательных NLR. [20]
Одним из примеров белков , участвующих в сетях NLR, являются белки, принадлежащие к суперкладу NRC. Похоже, что сети развились из события дупликации генетически связанной пары NLR в несвязанный локус, который позволил новой паре развиваться, чтобы реагировать на новый патоген . Это разделение, по-видимому, обеспечивает пластичность системы, поскольку позволяет сенсорным NLRs развиваться быстрее в ответ на быструю эволюцию эффекторов патогена , тогда как хелперный NLR может развиваться гораздо медленнее, чтобы поддерживать свою способность индуцировать HR. Однако, по-видимому, в ходе эволюции также развились новые вспомогательные NLR, предположительно, потому что некоторым сенсорным NLR необходимы определенные вспомогательные NLR для оптимального функционирования. [20]
Биоинформатический анализ растительных NLR показал, что на N-конце хелперных NLR, но не сенсорных NLR, имеется консервативный мотив MADA . Около 20% всех CC-NLR имеют мотив MADA, что подразумевает важность этого мотива для реализации HR. [21]
Случайная активация HR через белки NLR может вызвать обширное разрушение растительной ткани , поэтому NLR сохраняются в неактивной форме за счет жесткой негативной регуляции как на транскрипционном , так и на посттрансляционном уровнях. В нормальных условиях мРНК NLR транскрибируются на очень низком уровне, что приводит к низкому уровню белка в клетке. NLR также требуют значительного количества белков-шаперонов для своего сворачивания. Неправильно свернутые белки немедленно убиквитинируются и разрушаются протеасомой . [22] Было замечено, что во многих случаях, если белки-шапероны, участвующие в биосинтезе NLR, нокаутированы , HR отменяется, а уровни NLR значительно снижаются. [23]
Внутримолекулярные взаимодействия также важны для регуляции HR. Белки NLR нелинейны: домен NB-ARC расположен между доменами LRR и TIR / CC . В нормальных условиях в цитоплазме присутствует намного больше АТФ , чем АДФ , и такое расположение белков NLR предотвращает спонтанный обмен АДФ на АТФ и, таким образом, активацию HR. Только когда обнаруживается фактор вирулентности , АДФ заменяется на АТФ . [14]
Мутации в некоторых компонентах защитного механизма растений приводят к активации HR без присутствия эффекторных белков патогена . Некоторые из этих мутаций наблюдаются в генах NLR и приводят к тому, что эти белки NLR становятся аутоактивными из-за нарушения внутримолекулярных регуляторных механизмов. Другие мутации, вызывающие спонтанную HR, присутствуют в белках , участвующих в выработке АФК во время инвазии патогена . [3]
HR также является термочувствительным процессом, и было замечено, что во многих случаях взаимодействия растений и патогенов не вызывают HR при температурах выше 30 °C, что впоследствии приводит к повышению восприимчивости к патогену . [24] Механизмы влияния температуры на устойчивость растений к патогенам детально не изучены, однако исследования показывают, что уровни белка NLR могут иметь важное значение в этой регуляции. [25] Также предполагается, что при более высоких температурах белки NLR с меньшей вероятностью образуют олигомерные комплексы , тем самым ингибируя их способность индуцировать HR. [26]
Также было показано, что ЧСС зависит от условий освещения, что может быть связано с активностью хлоропластов и, главным образом, их способностью генерировать АФК . [27]
Было показано, что несколько ферментов участвуют в генерации АФК . Например , медьаминооксидаза катализирует окислительное дезаминирование полиаминов , особенно путресцина , и высвобождает медиаторы АФК перекись водорода и аммиак . [28] Другие ферменты, которые, как полагают, играют роль в производстве АФК , включают ксантиноксидазу , НАДФН-оксидазу , оксалатоксидазу , пероксидазы и флавинсодержащие аминоксидазы. [9]
В некоторых случаях клетки, окружающие очаг поражения, синтезируют противомикробные соединения, включая фенольные соединения , фитоалексины и белки , связанные с патогенезом (PR) , включая β-глюканазы и хитиназы . Эти соединения могут действовать, прокалывая стенки бактериальных клеток ; или путем задержки созревания, нарушения метаболизма или предотвращения размножения рассматриваемого патогена .
Исследования показали, что фактический способ и последовательность демонтажа клеточных компонентов растений зависит от каждого отдельного взаимодействия растения и патогена, но все HR, по-видимому, требуют участия цистеиновых протеаз . Индукция гибели клеток и уничтожение патогенов также требует активного синтеза белка , интактного актинового цитоскелета и присутствия салициловой кислоты . [8]
Патогены разработали несколько стратегий подавления защитных реакций растений . Процессы-хозяева, на которые обычно нацелены бактерии, включают; изменения в запрограммированных путях гибели клеток, ингибирование защиты клеточной стенки и изменение передачи сигналов растительных гормонов и экспрессии защитных генов . [29]
Показано, что локальное инициирование HR в ответ на определенные некротрофные патогены позволяет растениям развивать системный иммунитет против патогена . [30] Ученые пытались использовать способность HR вызывать системную устойчивость растений, чтобы создать трансгенные растения , устойчивые к определенным патогенам . Патоген-индуцируемые промоторы были связаны с аутоактивными генами NLR , чтобы индуцировать реакцию HR только тогда, когда патоген присутствует, но не в любое другое время. Однако этот подход по большей части оказался неосуществимым, поскольку модификация также приводит к существенному снижению урожайности растений . [3]
У Arabidopsis было замечено , что иногда при скрещивании двух разных линий растений в потомстве проявляются признаки гибридного некроза . Это связано с тем, что родительские растения содержат несовместимые NLR, которые при совместной экспрессии в одной клетке индуцируют спонтанную HR. [31]
Это наблюдение породило гипотезу о том, что фитопатогены могут приводить к видообразованию растений — если в популяциях растений одного и того же вида развиваются несовместимые NLR в ответ на разные эффекторы патогена , это может привести к гибридному некрозу потомства F1 , что существенно снижает приспособленность потомство и гены передаются последующим поколениям . [32]
И у растений , и у животных есть белки NLR , которые, судя по всему, выполняют одну и ту же биологическую функцию – вызывать гибель клеток . N-концы NLR растений и животных различаются, но кажется, что оба имеют домены LRR на C-конце. [33]
Большая разница между NLR животных и растений заключается в том, что они признают. NLR животных в основном распознают молекулярные паттерны, связанные с патогенами (PAMP), тогда как NLR растений в основном распознают эффекторные белки патогенов . Это имеет смысл, поскольку NLR присутствуют внутри клетки , а у растений редко имеются внутриклеточные патогены , за исключением вирусов , а вирусы не имеют PAMP , поскольку они быстро развиваются. С другой стороны, у животных имеются внутриклеточные патогены . [34]
Подавляющее большинство линий растений, за исключением некоторых водорослей , таких как Chlamydomonas , имеют NLR. NLRs также присутствуют у многих видов животных , однако их нет, например, у Drosophila melanogaster и Arthropods . [33]
При распознавании PAMPs NLRs у животных NLRs олигомеризуются с образованием структуры, известной как инфламмасома , которая активирует пироптоз . Структурные исследования растений показали, что NLR также олигомеризуются с образованием структуры , называемой резистосомой, что также приводит к гибели клеток . Похоже, что и у растений , и у животных образование резистосомы или инфламмасомы соответственно приводит к гибели клеток за счет образования пор в мембране . Из белковых структур можно сделать вывод , что у растений за образование пор в мембране отвечают сами NLR , тогда как в случае инфламмасомы порообразующая активность возникает за счет газдермина D , который расщепляется каспазами в результате олигомеризации НЛР. [35] [36] Растительные клетки не имеют каспаз . [37]