Phytozytokine fungieren als immunologische Modulatoren der pflanzlichen Immunität

Abstrakt

In der pflanzlichen Plasmamembran ansässige Immunrezeptoren regulieren die pflanzliche Immunität, indem sie mikrobenassoziierte molekulare Muster (MAMPs), schadensassoziierte molekulare Muster (DAMPs) und Phytozytokine erkennen. Phytozytokine sind gepflanzte endogene Peptide, die normalerweise im Zytosol produziert und in den Apoplasten freigesetzt werden, wenn die Pflanze auf pathogene Infektionen trifft. Phytozytokine regulieren die pflanzliche Immunität, indem sie einen überlappenden Signalweg mit MAMPs/DAMPs mit einigen einzigartigen Eigenschaften aktivieren. Hier beleuchten wir das aktuelle Verständnis der Phytozytokin-Produktion, -Wahrnehmung und -Funktionen bei der pflanzlichen Immunität und diskutieren, wie Pflanzen und Krankheitserreger die Phytozytokin-Signalisierung zu ihrem Vorteil im Kampf zwischen Pflanzen und Krankheitserregern manipulieren.

Schlüsselwörter:

Phytozytokin, schadensassoziiertes molekulares Muster (DAMP), Mustererkennungsrezeptor (PRR), mustergesteuerte Immunität (PTI), Pflanzenimmunität.

Das endogene Peptid ist eine Art Polypeptidverbindung, die vom menschlichen Körper selbst produziert wird und wichtige biologische Funktionen im Immunsystem des Körpers hat. Endogene Peptide sind hauptsächlich in Lymphgewebe, extrazellulärer Flüssigkeit, Serum usw. verteilt, können die Funktion von Immunzellen aktivieren und regulieren und können auch biologische Prozesse wie Entzündungsreaktionen, antibakterielle Abwehr, Zellproliferation und -differenzierung beeinflussen.

Der Zusammenhang zwischen endogenen Peptiden und Immunität zeigt sich hauptsächlich in den folgenden Aspekten:

1. Stärkung der Selbstimmunität: Endogene Peptide können die Proliferation und Aktivität von Immunzellen wie weißen Blutkörperchen und Lymphozyten fördern, die Immunität des Körpers stärken und so die Widerstandskraft des Körpers gegen äußere Krankheitserreger verbessern.

2. Antibakterielle Abwehr: Endogene Peptide können Bakterien, Viren und andere Mikroorganismen direkt bekämpfen, eine antibakterielle Wirkung ausüben und verhindern, dass Bakterien in den Körper eindringen und Infektionen verursachen.

3. Regulierung der Entzündungsreaktion: Endogene Peptide können das Auftreten und Fortschreiten einer Entzündungsreaktion regulieren, die Schädigung der Entzündungsreaktion im Körper verringern und so den Körper vor der Schädigung der Entzündungsreaktion schützen.

4. Förderung der Gewebereparatur: Endogene Peptide können die Gewebereparatur und -regeneration fördern und die Gewebewiederherstellung und -rehabilitation beschleunigen, wodurch die Immunität des Körpers gestärkt wird. Im Allgemeinen spielen endogene Peptide eine wichtige Rolle im Immunsystem, indem sie die Immunität des Körpers regulieren und stärken. Es beeinflusst die Immunität des Körpers, indem es die Immunität des Körpers, die antibakterielle Abwehr stärkt, die Entzündungsreaktion reguliert und die Gewebereparatur fördert. Unter diesem Gesichtspunkt müssen wir also auf die Verbesserung unserer menschlichen Immunität achten. Cistanche hat eine deutliche Verbesserungswirkung. Die Polysaccharide im Fleisch können die Immunantwort des menschlichen Immunsystems regulieren, die Stressfähigkeit von Immunzellen verbessern und Immunzellen stärken. bakterizide Wirkung.

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Einführung

In den frühen 1990er Jahren wurde Systemin als erstes Peptid-Signalmolekül in Tomaten identifiziert (Pearce et al. 1991). In den letzten drei Jahrzehnten wurden Dutzende kleiner Peptide verschiedener Familien als Signalmoleküle in verschiedenen Pflanzenarten identifiziert und funktionell charakterisiert, insbesondere in der Referenzpflanze Arabidopsis thaliana. Umfangreiche Belege deuten darauf hin, dass diese Peptide, ähnlich wie herkömmliche Phytohormone, in geringer Konzentration hochaktiv sind und eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der Pflanzenentwicklung, Reproduktion, Immunität und Anpassung an Umweltstress spielen. Im Gegensatz zu klassischen Phytohormonen, die durch spezielle Stoffwechselreaktionen biosynthetisiert werden und im gesamten Pflanzenreich konservierte Strukturen und Funktionen aufweisen, handelt es sich bei diesen Peptiden jedoch um Genprodukte mit hoher Sequenzvielfalt und funktioneller Spezifität über Pflanzenarten hinweg (Matsubayashi 2014; Olsson et al. 2019; Takahashi et al. 2019).

In den letzten Jahren wurden verschiedene Arten kleiner sekretierter Peptide mit der Regulierung der pflanzlichen Immunität in Verbindung gebracht. Gene, die für viele dieser immunmodulatorischen Peptide kodieren, werden bei Pathogeninfektionen oder Behandlungen mit Pathogen/Mikroben-assoziierten molekularen Mustern (PAMPs/MAMPs) schnell und erheblich induziert (Li et al. 2016a). Die Erkennung von MAMPs durch in der Pflanzenplasmamembran (PM) ansässige Mustererkennungsrezeptoren (PRRs) löst eine durch Pflanzenmuster ausgelöste Immunität (PTI) aus, die erste Linie der induzierbaren Abwehr gegen Infektionen (Couto und Zipfel 2016; Yu et al. 2017; Zhou und Zhang 2020). Pflanzen-PRRs erkennen auch vom Wirt stammende schädigungsassoziierte molekulare Muster (DAMPs), wie etwa extrazelluläre Nukleotide, Fragmente pflanzlicher Zellwand-abgeleiteter Polysaccharide sowie immunbezogene Proteine ​​und Peptide, die normalerweise bei Zellschäden freigesetzt werden (Gust et al. 2017; Hou et al. 2019a; Tanaka und Heil 2021).

Obwohl immunmodulatorische Peptide als eine Art von DAMPs angesehen wurden, werden die meisten immunologischen Peptide in Abwesenheit oder vor einer Zellschädigung in extrazelluläre Apoplasten sezerniert. Darüber hinaus weisen immunologische Peptide im Vergleich zu herkömmlichen DAMPs andere chemische Eigenschaften, Reifungsprozesse und Wirkungsweisen auf. Diese immunologischen Peptide sind funktionell analog zu tierischen Zytokinen, einer Gruppe von Signalpeptiden, die von Immunzellen, Endothelzellen und Fibroblasten produziert werden und als immunmodulierende Mittel bei Gesundheit und Krankheit wirken, insbesondere bei der Immunität des Wirts, bei Entzündungen, Traumata, Sepsis und Krebs (Banchereau). et al. 2012; Luo 2012). Daher wurden pflanzliche Zytokine oder Phytozytokine geprägt, um sich auf pflanzliche Peptidhormone zu beziehen, die als Signale der Zell-Zell-Kommunikation sowohl die pflanzliche Immunität als auch die Entwicklung regulieren (Luo 2012). Daher wurden pflanzliche immunogene Faktoren weiter in zwei Kategorien unterteilt, wobei eine Klasse die klassischen DAMPs sind: Moleküle, die bei Zellschäden passiv freigesetzt werden, und eine Klasse die Phytozytokine: immunmodulatorische Peptide, die bei Infektionen verarbeitet und/oder sezerniert werden (Gust et al . 2017; Tanaka und Heil 2021).

Bemerkenswert ist, dass einige Peptidhormone, die ursprünglich als Regulatoren der Pflanzenentwicklung, der Fortpflanzung oder der Reaktion auf abiotischen Stress identifiziert wurden, an der pflanzlichen Immunität beteiligt sind. Ebenso spielen einige immunologische Peptide auch bei anderen physiologischen Prozessen eine Rolle. Somit spielen diese immunologischen Phytozytokine eine doppelte Rolle bei der pflanzlichen Immunität, Entwicklung, Wachstum, Reproduktion oder Stressanpassung, ähnlich wie Zytokine in der Tierphysiologie. Interessanterweise wurden in Mikroben einige Phytozytokin-ähnliche Sequenzen identifiziert, die die pflanzliche Immunität aktivieren oder abschwächen könnten. In diesem Aufsatz werden wir die jüngsten Fortschritte bei den Mechanismen der Phytozytokin-vermittelten Pflanzenimmunität hervorheben und diskutieren, wie Pflanzen und Phytopathogene die Phytozytokin-Signalisierung manipulieren, um das Überleben jeder Stelle während Wirt-Pathogen-Interaktionen zu gewährleisten.

Klassifizierung, Identifizierung und Funktion von Phytozytokinen

Die Phytozytokine können in zwei Hauptklassen eingeteilt werden, je nachdem, ob ihre Vorläuferproteine ​​ein Signalpeptid enthalten (Matsubayashi 2014). Systemin, Pflanzenauslöserpeptid (PEP1), Z. mays-Immunsignalpeptid 1 (ZIP1) und Sojabohnen-GmPEPs gehören zur Gruppe der Phytozytokine, deren Vorläufer kein Signalpeptid aufweisen und als nicht sekretierte Peptide klassifiziert werden. Andere Phytozytokine, einschließlich hydroxyprolinreicher Systeme (HypSys), PAMP-induziertes sekretiertes Peptid 1 (PIP1)/PIP2, serinreiches endogenes Peptid 12 (SCOOP12), Phytosulfokine (PSKs), Pflanzenpeptid mit sulfatiertem Tyrosin 1 (PSY1), Blütenstand Mangel an Abszission (IDA)/IDA-LIKE 6 (IDL6), Wurzelmeristemwachstumsfaktoren (RGFs)/GOLVENs (GLVs) und schnelle Alkalisierungsfaktoren (RALFs) bilden die andere Gruppe, deren Vorläufer ein Signalpeptid enthalten und als sezerniert klassifiziert werden Peptide (Tabelle 1).

Systemin ist ein 18-Aminosäure (aa)-Peptid, das aus Extrakten verletzter Tomatenblätter identifiziert und benannt wurde, da es systemische Abwehrreaktionen über große Entfernungen vermitteln kann (McGurl et al. 1992; Pearce et al. 1991). Systemin wurde in den meisten Arten der Familie der Nachtschattengewächse gefunden (Ryan und Pearce 2003). Die Behandlung von Tomaten mit Systemin löst eine Reihe von Resistenzreaktionen aus, darunter die Produktion von Proteinaseinhibitoren, die Induktion extrazellulärer Alkalisierung und Ethylenemission sowie die Abwehr gegen Pflanzenfresser von Insekten (Zhang et al. 2020a). PEP1, ein 23-aa-Peptid, ist das erste Phytozytokin, das in Arabidopsis identifiziert wurde. Das Arabidopsis-Genom kodiert für acht PEPs, und ihre Orthologen wurden in einer Vielzahl von Pflanzenarten identifiziert, darunter Mais, Reis, Kartoffeln und Sojabohnen (Huffaker et al. 2011; Huffaker et al. 2006; Poretsky et al. 2020).

AtPEP1 aktiviert das Kennzeichen der PTI-Reaktionen und fördert die Pflanzenresistenz gegen verschiedene Krankheitserreger, darunter das Bakterium Pseudomonas syringae, den Pilz Botrytis cinerea und den Oomyceten Phytophthora infestans (Huffaker et al. 2006; Yamaguchi et al. 2010; Liu et al. 2013). ZIP1 ist ein 17-aa-Peptid, das aus apoplastischen Flüssigkeiten von mit Salicylsäure (SA) vorbehandelten Blättern in Mais isoliert wurde. Die ZIP1-Behandlung führt stark zu einer SA-Akkumulation, induziert stark überlappende Transkriptionsänderungen, die mit SA-responsiven Genen verbunden sind, und erhöht die Resistenz von Mais gegen den biotrophen Pilz Ustilago maydis, aber auch die Anfälligkeit gegenüber dem nekrotrophen Pilz B. cinerea (Ziemann et al. 2018). GmPEP914 und GmPEP890 sind zwei homologe Acht-AA-Peptide, die aus Blattextrakten von Sojabohnen isoliert und als Alkalisierungsfaktoren von in Suspension kultivierten Zellen identifiziert wurden (Yamaguchi et al. 2011). Beide Peptide können die Expression von Abwehrgenen induzieren, die an der Abwehr von Krankheitserregern beteiligt sind.

HypSys sind eine Gruppe homologer hydroxyprolinreicher Glykopeptide, die in Pflanzen der Familie Solanaceae und Convolvulaceae identifiziert wurden (Chen et al. 2008; NarvaezVasquez et al. 2005; Pearce et al. 2001a). HypSys haben ähnliche Größen und Funktionen wie Systemin, weisen jedoch keine Sequenzhomologie mit Systemin auf. PIP1- und PIP2-Peptide entsprechen den C-Termini von zwei sekretierten Peptidvorläuferproteinen, prePIP1 und prePIP2, die als MAMP-induzierte Genprodukte identifiziert wurden (Hou et al. 2014). Arabidopsis beherbergt 11 präPIP-Paraloge, und präPIP-Orthologe wurden in einer großen Anzahl einkeimblättriger und eudikotyler Arten gefunden. PIP1 und PIP2 können klassische PTI-Reaktionen aktivieren und die Resistenz von Arabidopsis gegen P. syringae pv verstärken. Tomate (Pst) DC3000 und Fusarium oxysporum (Hou et al. 2014). Wie PIP1 und PIP2 leitet sich SCOOP12 vom C-Terminus eines auf Krankheitserreger reagierenden sekretierten Peptidvorläufers, PROSCOOP12, ab (Gully et al. 2019).

In Arabidopsis wurden mindestens 23 PROSCOOPs identifiziert (Hou et al. 2021a; Rhodes et al. 2021). PROSCOOP-Orthologe kommen nur in Pflanzen der Familie der Brassicaceae vor. Die meisten SCOOP-Peptide lösen verschiedene PTI-Reaktionen oder/und Resistenzen gegen Pst DC3000 aus (Gully et al. 2019; Hou et al. 2021a; Rhodes et al. 2021; Yu et al. 2020). Arabidopsis-Pflanzen mit SCOOP12-Defekt sind resistenter gegen Erwinia amylovora (Gully et al. 2019). Ähnlich wie HypSys, PIPs und SCOOPs ist IDA ein Serin- und Glycin-reiches Peptid. Es wurde ursprünglich als Schlüsselregulator der Abszision von Blütenorganen bei Arabidopsis identifiziert (Butenko et al. 2003). IDA-Homologe sind in einer Vielzahl von Pflanzenarten konserviert (Butenko et al. 2003). Die IDA-Familie umfasst bei Arabidopsis acht Mitglieder (Vie et al. 2015). Von diesen wurde berichtet, dass IDA und IDL6 an der Pflanzenimmunität beteiligt sind. IDA reguliert die Pflanzenresistenz wahrscheinlich durch die Kontrolle des vorzeitigen Blattabwurfs (Patharkar und Walker, 2016). IDL6 fördert die Anfälligkeit von Arabidopsis für Pst DC3000 (Wang et al. 2017).

PSKs sind Fünf-AA-Peptide mit zwei sulfatierten Tyrosinresten. Sie wurden ursprünglich als pflanzenwachstumsfördernder Faktor identifiziert und regulieren nachweislich mehrere Prozesse des Pflanzenwachstums, der Pflanzenentwicklung und der Stressreaktionen (Matsubayashi und Sakagami 1996; Sauter 2015; Yang et al. 2001). PSKs sind im Pflanzenreich universell verbreitet. Bei Arabidopsis schwächt die PSK-Signalübertragung die PTI-Reaktionen ab, beeinträchtigt die Pflanzenresistenz gegen das hemibiotrophe Pst DC3000 und den Oomyceten Hyaloperonospora arabidopsidis, verstärkt aber die Resistenz gegen den nekrotrophen Pilzpathogen Alternaria Brassicicola (Igarashi et al. 2012; Mosher et al. 2013; Rodiuc et al. 2016).

Bei Tomaten erhöht PSK die Resistenz gegen den nekrotrophen Pilzpathogen B. cinerea (Zhang et al. 2018). Arabidopsis PSY1 ist ein 18-aa-Glykopeptid mit einem sulfatierten Tyrosinrest. Es wurde ursprünglich als funktionelle Analogie zu PSKs bei der Stimulierung der pflanzlichen Zellproliferation und -expansion identifiziert (Amano et al. 2007). PSY-Homologe wurden in verschiedenen Pflanzenarten identifiziert, darunter Reis, Banane, Tomate und Weizen (Pruitt et al. 2017). Wie PSKs unterdrückt die PSY1-Signalisierung wahrscheinlich PTI-Reaktionen und fördert die Resistenz von Arabidopsis gegen A. Brassicicola, aber die Anfälligkeit für Pst DC3000 und F. Oxysporum (Mosher et al. 2013; Shen und Diener 2013). Peptide der RGF-Familie, auch bekannt als GLV-Peptide, stellen eine weitere Gruppe tyrosinsulfatierter Peptide dar, die ursprünglich als Schlüsselregulatoren der Aufrechterhaltung des Wurzelmeristems und des Gravitropismus bei Arabidopsis identifiziert wurden (Matsuzaki et al. 2010; Whitford et al. 2012). Die RGF-Peptidfamilie umfasst 11 Mitglieder in Arabidopsis (Matsuzaki et al. 2010). Unter ihnen tragen RGF7/GLV4 und RGF9/GLV2, die in Pflanzen bei Infektion mit P. syringae transkriptionell reguliert werden, zur Aktivierung von Immunantworten und zur Erhöhung der Resistenz gegen P. syringae bei (Stegmann et al. 2021; Wang et al . 2021).

RALFs, eine Gruppe von 5-Kilodalton (kDa)-Polypeptiden, die ursprünglich aus Tabakblättern extrahiert wurden, induzieren eine schnelle Alkalisierung des extrazellulären Kompartiments und wirken sich auf das Wurzelwachstum und die Wurzelentwicklung aus (Pearce et al. 2001b). Im Gegensatz zu anderen linearen Peptiden verfügen RALFs über vier konservierte Cysteine, die zwei Disulfidbindungen bilden, die für die Peptidaktivität von entscheidender Bedeutung sind. RALFs sind in verschiedenen Geweben und Organen verschiedener Pflanzenarten weit verbreitet (Pearce et al. 2001b). Das Arabidopsis-Genom kodiert für mehr als 30 RALFs, und einige von ihnen spielen nachweislich eine positive oder negative Rolle bei der Pflanzenimmunität (Blackburn et al. 2020) (Tabelle 1).

Phytozytokine werden von Zelloberflächenrezeptoren wahrgenommen

Ein wesentliches gemeinsames Merkmal von Zytokinen und Phytozytokinen besteht darin, dass sie von spezifischen Zelloberflächenrezeptoren wahrgenommen werden. Rezeptoren für Zytokine sind strukturell vielfältig und hauptsächlich in fünf große Superfamilien unterteilt: Zytokinrezeptoren vom Typ I (hämatopoetische Familie) und Typ II (Interferonfamilie), Rezeptoren der Tumornekrosefaktor (TNF)-Familie, Rezeptoren der Immunglobulin-Superfamilie, Rezeptortyrosinkinasen und Chemokinrezeptoren (Wang et al. 2009). Im Gegensatz dazu werden Phytozytokine normalerweise von zelloberflächenresidenten rezeptorähnlichen Kinasen (RLKs) wahrgenommen, die eine extrazelluläre Domäne, eine Transmembranregion und eine zytoplasmatische Kinasedomäne enthalten, die den tierischen Rezeptortyrosinkinasen ähneln (Couto und Zipfel 2016; Escocard de Azevedo). Manhaes et al. 2021; Shiu und Bleecker 2001) (Tabelle 1).

Pflanzen-RLKs werden basierend auf ihren extrazellulären Domänen in verschiedene Unterfamilien eingeteilt. Leucinreiche Wiederholungs-RLKs (LRR-RLKs) mit extrazellulären LRRs bilden die größte Unterfamilie der RLKs und fungieren als Rezeptoren einiger immunologischer Phytozytokine. Davon nehmen Tomaten-SYSTEMIN-REZEPTOR 1 (SYR1) und SYR2 Systemin wahr (Wang et al. 2018), Arabidopsis PEP1-REZEPTOR 1 (PEPR1)/PEPR2 erkennt PEPs (Yamaguchi et al. 2006) und Arabidopsis RECEPTOR-LIKE 7 (RLK7). PIP1 und PIP2 (Hou et al. 2014), Arabidopsis MALE DISCOVERER 1-INTERACTING RECEPTOR-LIKE KINASE 2 (MIK2) erkennt SCOOPs (Hou et al. 2021a; Rhodes et al. 2021), HAESA und HAESA-LIKE2 ( HSL2) erkennt IDA (Santiago et al. 2016), RGF1 INSENSITIVE 3 (RGI3) selbst oder zusammen mit RGI4 erkennt RGF7 und RGF9/GLV2 (Stegmann et al. 2021; Wang et al. 2021), PSK RECEPTOR 1 (PSKR1) erkennt PSKs (Matsubayashi et al. 2002; Wang et al. 2015) und PSY1R erkennt wahrscheinlich PSY1 (Amano et al. 2007). Diese Phytozytokinrezeptoren gehören alle zu den Klassen LRR X und LRR XI von LRR-RLKs, die phylogenetisch der LRR SENSING 2 (FLS2) und DEHNUNGSFAKTOR-Tu-REZEPTOR (EFR).

Dies deutet auf eine enge evolutionäre Beziehung zwischen der durch Phytozytokine und MAMP ausgelösten Immunität hin. Bei der Wahrnehmung von Phytozytokinen heterodimerisieren die LRR-RLK-Rezeptoren häufig mit LRR-RLKs der SOMATIC EMBRYOGENESIS RECEPTOR-LIKE KINASE (SERK), z. B. BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1 (BRI1)-ASSOCIATED RECEPTOR KINASE 1 (BAK1)/SERK3 und SERK4 (Liu et al. 2020b; Ma et al. 2016).

Catharanthus roseus-Rezeptor-ähnliche Kinase-1-ähnliche (CrRLK1L)-Proteine ​​mit zwei extrazellulären Galectin-ähnlichen Domänen spielen eine wichtige Rolle in der Pflanzenentwicklung, wie z. B. polarisiertes Wachstum, Zellverlängerung, Erkennung der Zellwandintegrität und hormonelle Reaktionen (Franck et al . 2018; Li et al. 2016b; Zhu et al. 2021). Aktuelle Studien legen nahe, dass CrRLK1Ls als Rezeptoren von RALFs eine entscheidende Rolle bei der pflanzlichen Immunität spielen. Arabidopsis CrRLK1L FERONIA (FER) fungiert als Rezeptor verschiedener RALFs, einschließlich RALF1 und RALF23 (Haruta et al. 2014; Stegmann et al. 2017) (Tabelle 1). Interessanterweise reguliert RALF23/RALF33 negativ, wohingegen RALF17 die PRR-vermittelte Immunität in FER-abhängiger Weise positiv reguliert (Stegmann et al. 2017). Strukturelle und biochemische Ergebnisse deuten darauf hin, dass RALF23 eine komplexe Bildung zwischen FER und LORELEI (LRE)-LIKE GLYCOSYLPHOSPHATIDYLINOSITOL (GPI)-ANCHORED PROTEIN 1 (LLG1) oder LLG2 induziert, um ein RALF23-LLG1/2-FER zusammenzusetzen ternärer Komplex (Xiao et al. 2019). Obwohl LLGs ursprünglich als Korezeptoren von FER vorgeschlagen wurden, konnten sie ohne FER direkt an RALFs binden. Es scheint, dass RALF23 zunächst von LLGs erkannt wird, was zur Rekrutierung von FER in den heteromeren Komplex führt (Xiao et al. 2019). Somit könnten LLGs die echten RALF-Rezeptoren sein, während CrRLK1Ls als Korezeptoren fungieren, um die Interaktion zu verstärken.

Regulierung der Phytozytokinexpression

Die Regulierung der Expression von Phytozytokin-Vorläufern ist eine der frühen Immunreaktionen (Li et al. 2016a). Dementsprechend werden einige Phytozytokine identifiziert, da sie durch MAMP-Behandlungen oder Pathogeninfektionen hochreguliert werden. Beispielsweise wurden prePIP1 und prePIP2, die Vorläufer von PIP1 und PIP2, durch die Analyse der MAMP-regulierten Gentranskription identifiziert (Hou et al. 2014). Die Expression von prePIP1 und prePIP2 wird 30 Minuten nach der Behandlung mit bakteriellem MAMP flg22 oder elf18 schnell hochreguliert und erreicht etwa eine Stunde nach der Behandlung einen Höhepunkt.

Ebenso wird die Expression von prePIP1 auch stark durch Chitin, ein MAMP aus Pilzen, induziert, was darauf hindeutet, dass prePIP1 eine konservierte Rolle bei der Pflanzenresistenz gegen verschiedene Krankheitserreger spielen könnte. Konsistent wird die Expression von prePIP1 in Blättern und Wurzeln durch das Bakterium Pst DC3000 und den Pilz F. oxysporum f induziert. sp. Der konglutinierende Stamm 699 (Foc 699) und PIP1 fördern die Pflanzenresistenz sowohl gegen Pst DC3000 als auch gegen Foc 699 (Hou et al. 2014). PROSCOOP12 wurde identifiziert, da es stark durch Infektionen verschiedener Krankheitserreger induziert wird, darunter B. cinerea, Pst DC3000 und E. amylovora (Gully et al. 2019); preRGF7 wurde durch eine Pst DC3000-Infektion auf transkriptioneller und posttranskriptioneller Ebene induziert (Wang et al. 2021). Zwei PROPEP1-Paraloge, PROPEP2 und PROPEP3, werden stark durch MAMPs oder Krankheitserreger induziert, darunter Pst DC3000, B. cinerea und P. infestans (Huffaker et al. 2006); Die Vorläufer von PSK und PSY1, proPSKs und proPSY1, wurden während der Infektion von B. cinerea oder A. Brassicicola in Arabidopsis und Tomaten hochreguliert (Igarashi et al. 2012; Mosher et al. 2013; Zhang et al. 2018).
Im Einklang mit der Hochregulierung von Phytozytokin-Genen wird in einigen Fällen auch die Expression ihrer Rezeptoren durch MAMPs hochreguliert. Beispielsweise induziert eine MAMP-Behandlung oder eine Pathogeninfektion die Expression von PEPR1, PEPR2, RLK7, MIK2, HAESA und PSKR1 (Kemmerling et al. 2011; Lewis et al. 2015). Interessanterweise werden einige Phytozytokin-Vorläufergene durch Pathogeninfektionen transkriptionell herunterreguliert. Beispielsweise wird die Expression von preRGF9/GLV2 in Blättern bei einer Infektion mit P. syringae pv unterdrückt. maculicola und Pst DC3000 (Stegmann et al. 2021). Es bleibt abzuklären, welche positive Rolle die Herunterregulierung von preRGF9/GLV2 bei der Pflanzenimmunität spielt.

MAMP-induzierte Phytozytokin-Gene können die Expression ihrer Vorläufergene weiter steigern und so die Phytozytokin-Signalisierung durch eine positive Rückkopplungsschleife verstärken. Beispielsweise können Pep1, PIP1, SCOOP12 und RGF7 jeweils die Expression ihrer Vorläufergene induzieren (Gully et al. 2019; Hou et al. 2014; Huffaker et al. 2006; Wang et al. 2021). Die induzierbare Überexpression von preRGF7 in Pflanzen führt zur Aktivierung von MPK3 und MPK6, und die aktivierten MPK3 und MPK6 wiederum regulieren die preRGF7-Expression über den nachgeschalteten Transkriptionsfaktor WRKY33 hoch, was auf eine Selbstamplifikationsschleife bei der Regulierung der preRGF7-Expression schließen lässt (Wang et al. 2021). Die Entdeckung von MIK2 als SCOOP-Rezeptor wird durch diese positive Rückkopplungsregulation erhellt. Die Aktivierung der MIK2-Kinase in einem chimären RLK7-MIK2-Rezeptor (extrazelluläre Domäne von RLK7, fusioniert mit Transmembran- und intrazellulären Domänen von MIK2) nach PIP1-Behandlung induzierte die Expression einiger PROSCOOP-Gene, die folglich als Liganden von MIK2 bestätigt wurden (Hou et al. 2021a). Darüber hinaus induzieren einige Phytozytokine möglicherweise nicht nur die Expression ihrer Vorläufergene, sondern auch der Vorläufergene anderer Phytozytokine. Beispielsweise können PIP1 und Pep1 die Expression der Vorläufergene des anderen hochregulieren (Hou et al. 2014), was auf ein Signalnetzwerk hinweist, das durch verschiedene Phytozytokine reguliert wird.

Regulierung der Reifung und Freisetzung von Phytozytokinen

Wie oben erwähnt, leiten sich Phytozytokine normalerweise von Vorläuferproteinen mit den folgenden Eigenschaften ab: einem Amino-(N)-terminalen Signalpeptid (nur für sekretierte Peptide), einer Carboxyl-(C)-terminalen Region, die in derselben Peptidfamilie konserviert ist, und a variable Region (auch Prodomäne genannt) zwischen Signalpeptid und konservierter Region (Abb. 1) (Matsubayashi 2014; Olsson et al. 2019). Nach der Translation gelangen die Phytozytokin-Vorläufer mithilfe von Signalpeptiden in den Sekretionsweg und werden schließlich als biologisch aktive, reife Phytozytokine in das extrazelluläre Kompartiment (Apoplast) der Pflanzenzellen sezerniert. Im sekretorischen Weg des endoplasmatischen Retikulums (ER) und des Golgi oder des Apoplasten sind proteolytische Spaltungen von Signalpeptiden und Prodomänen sowie posttranslationale Modifikationen wie Tyrosinsulfatierung, Prolinhydroxylierung, Hydroxyprolinarabinosylierung und die Bildung intramolekularer Disulfidbindungen erforderlich die Phytozytokin-Reifung (Matsubayashi 2014; Olsson et al. 2019). Die Phytozytokin-Vorläufer ohne Signalpeptid (nicht sezernierte Peptide) gelangen nicht in den kanonischen ERGolgi-Sekretionsweg und unterliegen posttranslationalen Modifikationen. Es wird vorgeschlagen, dass sie über einen unkonventionellen Sekretionsweg oder bei Zellschäden in das extrazelluläre Kompartiment freigesetzt werden (Ding et al. 2012). Die Verarbeitung der Phytozytokin-Vorläufer zur Entfernung ihrer Domänen, die im Zytosol oder im Apoplasten vorkommen, ist auch für ihre Reifung wesentlich (Abb. 1).

Umfangreiche Studien belegen, dass die Reifung und Sekretion/Freisetzung von Phytozytokinen durch Pathogeninfektionen oder andere Umweltbelastungen gefördert werden (Hou et al. 2021b). PROPEP1, das Vorläuferprotein von PEP1, weist keine kanonische N-terminale Signalsequenz auf und ist an der zytosolischen Seite der Tonoplasten gebunden. Arabidopsis METACASPASE 4 (MC4) und die anderen Typ-II-Metacaspasen (MC5 bis MC9) sind für die PEP1-Abspaltung von PROPEP1 nach einem Argininrest (R69) erforderlich (Hander et al. 2019; Shen et al. 2019). Pflanzliche Metacaspasen sind strukturell homolog zu tierischen Caspasen (Hou et al. 2018). Arabidopsis MC4 wird aktiviert, wenn die zytosolische Ca2-Plus-Konzentration während der Zellmembranstörung einen Schwellenwert erreicht oder das MAMP-Flagellinpeptid flg22-eine Erhöhung von Ca2-Plus im Zytosol auslöst (Hander et al. 2019; Shen et al. 2019). Aktuelle Strukturstudien enthüllten die molekulare Basis der Ca2-plus-abhängigen MC4-Aktivierung und der PROPEP1-Prozessierung (Zhu et al. 2020). Darüber hinaus induzieren auch Infektionen mit virulenten oder avirulenten bakteriellen Krankheitserregern, Salzstressbehandlung und Zellwandschäden (CWD) die Spaltung von PROPEP3 in PEP3 (Engelsdorf et al. 2018; Yamada et al. 2016). Es ist unklar, ob die Erhöhung der zytosolischen Ca2-Plus- und MC-Aktivierung für die induzierte PROPEP3-Spaltung verantwortlich ist. Zellmembranschäden könnten eine Ursache für die PEP-Freisetzung sein, es ist jedoch rätselhaft, wie PEP bei PTI- und Salzstress freigesetzt wird, wenn keine beobachtbare Zellmembranstörung vorliegt.

Tomatensystemin wird vom C-Terminus eines Vorläuferproteins, Prosystemin (PS), durch zwei Tomatensubtilasen, SLPHYTASPASE 1 (SlPhyt1) und SlPhyt2, an zwei Aspartatresten verarbeitet (Beloshistov et al. 2018). Subtilasen sind eine Familie von Subtilisin-ähnlichen Serinproteasen (Hou et al. 2018). Durch SlPhyt-vermittelte Spaltung entsteht ein modifiziertes Systemin mit einem zusätzlichen Leucinrest am N-Terminus (Leu-Systemin), das von einer Leucin-Aminopeptidase weiterverarbeitet wird, um reifes Systemin zu erzeugen (Beloshistov et al. 2018). PSKs werden auch aus ihren Vorläufer-proPSKs nach einem Aspartatrest durch SlPhyt2 in Tomaten reif verarbeitet. Die PSK-Verarbeitung in der Tomatenabszisionsregion wird durch Trockenstress induziert (Reichardt et al. 2020). Allerdings werden proPSK1 und proPSK4 in Arabidopsis durch die Subtilasen SBT1.1 bzw. SBT3.8 verarbeitet (Srivastava et al. 2008; Stuhrwohldt et al. 2021). Die Spaltung von IDA-Vorläuferproteinen wird durch SBT4.12, SBT4.13 und SBT5.2 durchgeführt (Schardon et al. 2016).

Einige RALFs, einschließlich RALF1, RALF22 und RALF23, enthalten ein Signalpeptid und eine RRXL-Spaltungsstelle in der Verbindungsregion zwischen der Prodomäne und den reifen RALF-Peptiden, die durch die ER-lokalisierte Subtilase SITE-1 PROTEASE gespalten wird ( S1P) (Srivastava et al. 2009; Stegmann et al. 2017). Die Behandlung mit elf18, einem Epitoppeptid des MAMP-Elongationsfaktors Tu (EF-Tu), oder die Inokulation mit der Pst DC3000 hrcC-Mutante, die im bakteriellen Typ III-Sekretionssystem defizient ist, fördert die Verarbeitung des PRORALF23 deutlich (Stegmann et al. 2017). ). Diese Spaltung führt zur Aktivierung und Sekretion von RALF-Peptiden als aktive Phytozytokine. Die RALFs ohne die RRXL-Schnittstelle, wie z. B. RALF17, werden von S1P nicht gespalten (Stegmann et al. 2017). ZIP1 wird aus PROZIP1 durch die Papain-ähnliche Cysteinprotease (PLCP) CP1 und CP2 aus Mais verarbeitet (Ziemann et al. 2018). Die Verarbeitung von ZIP1 wird durch SA gefördert, ein immunbezogenes Phytohormon, das in Pflanzen normalerweise bei Angriffen biotropher und hemibiotropher Krankheitserreger stark induziert wird (Ziemann et al. 2018). ZIP1 löst stark eine SA-Akkumulation aus und aktiviert PLCP in Maisblättern, was auf eine positive Rückkopplungsschleife bei der Regulierung der ZIP1-Signalisierung hinweist (Ziemann et al. 2018). Wie PROPEP1 fehlen sowohl PS als auch PROZIP1 kanonische Signalpeptide.

Insbesondere sind SlPhyts und CPs apoplastische Proteasen. Daher können PS und PROZIP1 bei Zellschäden oder über unkonventionelle Proteinsekretionswege in extrazelluläre Räume freigesetzt und dann in Apoplasten zu reifem Systemin und ZIP1 verarbeitet werden. Andere Phytozytokine, einschließlich HypSys, PIP1, PIP2 und SCOOP12, wurden ebenfalls prozessiert (Hou et al. 2021a; Hou et al. 2014; Pearce et al. 2001a), aber die Proteasen, die die Spaltung vermitteln, wurden nicht identifiziert noch. Vorläufer von HypSys, IDA, PIP1, PIP2 und SCOOP12 enthalten typische Signalpeptide und sollen in Apoplasten sezerniert werden. Es bleibt unbekannt, ob die Spaltung dieser Vorläufer im Zytoplasma oder in Apoplasten erfolgt und zu reifen Phytozytokinen wird.

HypSys enthält -PPSPX-Motive, die als sich wiederholende Einheit in hydroxyprolinreichen Glykoproteinen, einer Hauptklasse von Zellwandstrukturproteinen, identifiziert wurden (Narvaez-Vasquez et al. 2005; Pearce et al. 2001a). Interessanterweise tragen einige SCOOPs, wie zum Beispiel SCOOP2, auch ein -PPSPX- Motiv (Hou et al. 2021a). Diese Phytozytokine könnten mit Zellwänden assoziiert sein und von diesen freigesetzt werden, eine interessante Frage, die in Zukunft untersucht werden muss.

Phytozytokine lösen überlappende und einzigartige Signalwege mit MAMPs aus

Bei der Wahrnehmung durch verwandte PRRs lösen MAMPs konvergente PTI-Reaktionen aus, einschließlich der Phosphorylierung der rezeptorähnlichen zytoplasmatischen Kinasen (RLCKs), der Erhöhung der zytosolischen Ca2+-Konzentration, des vorübergehenden apoplastischen ROS-Bursts, der Aktivierung mitogenaktivierter Proteinkinasen (MAPKs) usw kalziumabhängige Proteinkinasen (CDPKs), Neuprogrammierung der Abwehrgenexpression, Kalloseablagerung, Produktion von immunbezogenen Hormonen und antimikrobiellen Komponenten sowie Hemmung des Pflanzenwachstums (DeFalco und Zipfel, 2021; Yu et al. 2017; Zhou und Zhang 2020) . Wie MAMPs aktivieren auch einige Phytozytokine kanonische PTI-Reaktionen (Abb. 2). Beispielsweise lösen Pep1, PIP1 und SCOOP12 alle die MAPK-Aktivierung, die ROS-Produktion und die Kalloseablagerung aus und induzieren die Expression einiger PTI-Markergene (Gully et al. 2019; Hou et al. 2021a; Hou et al. 2014; Ranf et al. 2011; Rhodes et al. 2021). Da die Expression dieser Phytozytokine und zugehörigen Rezeptoren durch MAMPs induziert wird, wurde angenommen, dass diese Phytozytokine die MAMP-Reaktionen verstärken. In Übereinstimmung damit werden einige flg22--induzierte Reaktionen oder Resistenzen gegen Krankheitserreger teilweise beeinträchtigt, wenn diese Phytozytokin-Signalwege gestört sind (Gravino et al. 2017; Hou et al. 2014; Rhodes et al. 2021; Tintor et al . 2013). Es ist erwähnenswert, dass die SCOOP-MIK2-Signalisierung flg22- fördert, aber die durch Pep1- induzierte ROS-Produktion antagonisiert (Rhodes et al. 2021), was die Überschneidung zwischen MAMP- und Phytozytokin-vermittelter Immunsignalisierung erschwert.

Darüber hinaus könnten sich Art und Intensität der durch Phytozytokine ausgelösten Immunantworten von denen von MAMPs unterscheiden. Die Immuninduktion unterscheidet sich auch zwischen verschiedenen Phytozytokinen, was zur Diversifizierung und Spezifität der pflanzlichen Immunität beitragen kann. Beispielsweise induzieren Pep1 und SCOOP12 wie flg22 die RLCK BOTRYTIS-INDUCED KINASE 1 (BIK1)-Phosphorylierung und aktivieren BIK1-abhängige Immunantworten, wohingegen PIP1 Immunantworten auf BIK1-unabhängige Weise zu induzieren scheint (Hou et al. 2021a; Hou et al. 2014; Liu et al. 2013; Tintor et al. 2013). Darüber hinaus induzieren Pep1 und SCOOP12 eine starke Immunantwort in Wurzeln, aber eine schwache Reaktion in Blättern im Vergleich zu flg22 (Hou et al. 2021a; Poncini et al. 2017). SCOOPs können eine Wurzelbräunung verursachen, ein Phänotyp, der wahrscheinlich mit Zellwandmodifikationen und Wurzelimmunität zusammenhängt und für flg22 oder Pep1 nicht berichtet wurde (Felix et al. 1999; Hou et al. 2021a; Huffaker et al. 2006). Pep1 aktiviert auch unterschiedliche Gennetzwerke von flg22 in verschiedenen Zelltypen von Wurzeln (Rich-Griffin et al. 2020).

Die pflanzlichen Abwehrhormone SA, Ethylen (ET)/Jasmonsäure (JA) wirken in Pflanzen antagonistisch gegen biotrophe und nekrotrophe Krankheitserreger, und alle drei Hormone spielen eine miteinander verflochtene Rolle bei der Regulierung der durch flg22/elf18-ausgelösten PTI (Kim et al . 2014). Die Spezifität der Phytozytokin-regulierten Immunsignale korreliert auch mit diesen immunbezogenen Hormonen. Beispielsweise wurde gezeigt, dass PIP1 und ZIP1 den SA-Signalweg aktivieren und zur Entstehung biotropher Krankheitserreger beitragen (Hou et al. 2019b; Ziemann et al. 2018). Im Gegensatz dazu aktivieren PSK, PSY1 und RALF den JA-Signalweg, um die Pflanzenresistenz gegenüber nekrotrophen Krankheitserregern zu erhöhen und/oder die Pflanzenresistenz gegenüber hemibiotrophen Krankheitserregern zu beeinträchtigen (Guo et al. 2018; Mosher et al. 2013). Interessanterweise kann Pep1 sowohl SA- als auch ET/JA-Signalwege aktivieren und die Pflanzenresistenz sowohl gegen biotrophe als auch nekrotrophe Krankheitserreger fördern (Liu et al. 2013; Ross et al. 2014; Tintor et al. 2013; Yamaguchi et al. 2010). Darüber hinaus regulieren einige Phytozytokine auch die pflanzliche Immunität, indem sie mit einigen anderen Hormonsignalwegen interagieren. PSK initiiert beispielsweise eine Auxin-abhängige Resistenz gegen B. cinerea in Tomaten (Zhang et al. 2018) und RALF unterdrückt die ABA-Signalübertragung, obwohl die Rolle dieser Unterdrückung bei der Pflanzenimmunität noch erforscht werden muss (Chen et al. 2016; Yu et al. 2012).

Die Phytozytokin-Signalübertragung moduliert die Stabilität und den Aufbau des PRR-Komplexes

Die in der Plasmamembran ansässigen Rezeptoren von Phytozytokinen und MAMPs und ihre gemeinsamen BAK1/SERK4-Korezeptoren bieten eine Plattform für die miteinander verflochtenen Regulierungen zwischen Phytozytokin- und MAMP-Rezeptoren (Abb. 2). Phytozytokine und verwandte Rezeptoren können den Aufbau und die Signalübertragung des MAMP-Rezeptorkomplexes modulieren. FER bildet einen Komplex mit EFR/FLS2 und BAK1 und fördert die durch elf18/flg22- induzierte komplexe Anordnung zwischen EFR/FLS2 und BAK1, wodurch die PTI-Signalisierung verstärkt wird (Stegmann et al. 2017). Die RALF23-Wahrnehmung durch FER unterdrückt die Liganden-induzierte EFR/FLS2-BAK1-Komplexbildung (Stegmann et al. 2017). RALF23 kann die FER-Funktion bei der Salztoleranz negativ regulieren, indem es deren Internalisierung induziert (Zhao et al. 2018), was die Möglichkeit erhöht, dass RALF23 die PTI-Signalisierung wahrscheinlich durch einen ähnlichen Mechanismus dämpft. Interessanterweise fördert RALF17 im Gegensatz zu REALF23 die durch Elf18-ausgelöste ROS-Produktion über FER (Stegmann et al. 2017). RALF17 könnte die FER-vermittelte komplexe Anordnung zwischen EFR und BAK1 stärken, indem es mit RALF23 um die FER-Bindung konkurriert. Der Mechanismus, der der entgegengesetzten Modulation der PRR-Komplex-vermittelten Signalübertragung durch RALF23 und RALF17 zugrunde liegt, bleibt jedoch unklar.

Darüber hinaus assoziieren die engsten Homologen von FER, ANXUR1 (ANX1) und ANX2, auch mit FLS2 und BAK1 (Mang et al. 2017). Ebenso fördert die flg22-Wahrnehmung durch FLS2 die ANX1-Assoziation mit BAK1. ANX1 reguliert jedoch die durch flg22-induzierte FLS2-BAK1-Komplexbildung und pflanzliche PTI-Reaktionen negativ (Mang et al. 2017). Es wäre interessant, in Zukunft zu testen, ob FER und ANX1 miteinander um ihre Assoziation mit dem FLS2-BAK1-Komplex konkurrieren, um PTI-Reaktionen entweder zu verstärken oder zu dämpfen, und ob dieses FER-ANX-Gleichgewicht unter der Kontrolle unterschiedlicher Faktoren steht RALF-Peptide. RGI3 bildet mit FLS2 einen flg22-induzierten Komplex, was darauf hindeutet, dass RGI3 Teil der aktivierten PRR-Signalplattform ist (Stegmann et al. 2021). Interessanterweise erhöht die RGF9/GLV2-Wahrnehmung durch RGI-Rezeptoren die FLS2-Häufigkeit und fördert somit die FLS2-Signalausgabe (Abb. 2) (Stegmann et al. 2021). Es wird interessant sein, den möglichen Zusammenhang zwischen der FLS2-Häufigkeit und der RGI3- FLS2-Assoziation zu untersuchen. Die FLS2-Häufigkeit wird durch zwei E3-Ligasen, pflanzliches U-Box-Protein 12 (PUB12), und die PUB13--vermittelte Ubiquitinierung reguliert (Lu et al. 2011), was die Möglichkeit erhöht, dass RGI3 die PUB12/PUB13--vermittelte Ubiquitinierung stört von FLS2.

Modulation der pflanzlichen Immunität durch Pathogen-kodierte Phytozytokin-Mimikry

Obwohl Phytozytokine als pflanzenspezifische Signalmoleküle gelten, kommen einige Phytozytokin-Homologe oder Phytozytokin-ähnliche Sequenzen in Mikroben vor, insbesondere in pflanzenpathogenen Pilzen, Bakterien und parasitären Nematoden. Wie Phytozytokine in Pflanzen stammen die meisten mikrobiellen Phytozytokin-ähnlichen Sequenzen von den C-Termini von Vorläuferproteinen mit einem N-terminalen Signalpeptid. Diese pathogenkodierten Phytozytokin-ähnlichen Sequenzen werden von denselben Rezeptoren erkannt und aktivieren ähnliche Wege mit den entsprechenden Phytozytokinen in Pflanzen und gelten als Phytozytokin-Nachahmer (Ronald und Joe 2018). Die mikrobiellen Phytozytokin-Nachahmer fungieren normalerweise als Virulenzfaktoren, um die Pathogenität von Krankheitserregern zu fördern, indem sie Phytozytokin-vermittelte zelluläre Prozesse kapern. Allerdings wurde kürzlich festgestellt, dass einige dieser Phytozytokin-ähnlichen Motive in der Lage sind, pflanzliche Immunantworten zu aktivieren, und es wird angenommen, dass sie potenzielle MAMPs sind (Hou et al. 2021a; Rhodes et al. 2021).

Rice Xanthomonas Resistance 21 (XA21), ein PRR vom LRRRLK-Typ, erkennt ein synthetisches 21-aa-Peptid mit einem sulfatierten Tyrosinrest, der vom C-Terminus von RaxX (RaxX21-sY) des bakteriellen Pathogens stammt X. oryzae pv. oryzae (Xoo) Stamm PXO99 und aktiviert Immunantworten für eine Breitbandresistenz gegen Xoo (Pruitt et al. 2015; Song et al. 1995). Der Xanthomonas-Stamm, dem raxX fehlt, ist in seiner Fähigkeit, Reis ohne XA21 zu infizieren, beeinträchtigt, was darauf hindeutet, dass RaxX ein Virulenzfaktor ist. RaxX ist ein kleines Protein mit einem vorhergesagten N-terminalen Signalpeptid, das in vielen Xanthomonas-Arten hoch konserviert ist (Pruitt et al. 2015). Die Sequenzanalyse zeigte, dass RaxX21 dem Phytozytokin PSY1 ähnelt (Amano et al. 2007; Pruitt et al. 2017; Pruitt et al. 2015). Wie PSY1 fördern RaxX21-sY-Peptide aus verschiedenen Xanthomonas-Arten die Wurzelverlängerung von Pflanzen, was darauf hindeutet, dass RaxX21-sY ein funktionelles Nachahmer pflanzlicher PSYs ist.

Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass RaxX21-sY auf den auf der Pflanzenzelloberfläche lokalisierten Rezeptor von PSYs abzielt, um die Anfälligkeit der Pflanze für Xanthomonas-Stämme zu erhöhen. Obwohl angenommen wurde, dass PSY1R ein potenzieller Rezeptor von PSY1 in Arabidopsis ist (Amano et al. 2007), reagieren psy1r-Mutanten immer noch sowohl auf PSYs als auch auf RaxX21-sY (Pruitt et al. 2017), was darauf hindeutet, dass ein zusätzlicher Rezeptor(en) können beteiligt sein. Im Gegensatz zu RaxX21-sY aktivieren PSY-Peptide keine XA21-vermittelte Immunität (Pruitt et al. 2017). Dies legt nahe, dass XA21 ein kürzlich entwickelter Rezeptor ist, der RaxX21-sY spezifisch erkennt und Pflanzenresistenz gegen RaxX-tragende Krankheitserreger auslöst.

Sequenzabgleiche deuten darauf hin, dass RALF-Homologe nicht nur in Pflanzen weit verbreitet sind, sondern auch über phylogenetisch entfernte Phytopathogene wie pathogene Fusarium-Pilze und Actinobakterien (Masachis et al. 2016; Thynne et al. 2017; Wood et al. 2020). Die RALF-ähnlichen Proteine ​​kommen auch in mehreren Arten von Wurzelknotennematoden vor (Masachis et al. 2016; Thynne et al. 2017; Zhang et al. 2020b). Diese mikrobiellen RALF-Homologen weisen sehr ähnliche Sequenzeigenschaften wie pflanzliche RALFs auf, einschließlich eines N-terminalen Signalpeptids und vier hochkonservierter Cysteinreste (Masachis et al. 2016; Thynne et al. 2017; Zhang et al. 2020b). Es wurde gezeigt, dass einige RALF-ähnliche Peptide von Krankheitserregern pflanzliche RALFs nachahmen und FER-vermittelte Reaktionen modulieren, wodurch der Infektionsprozess von Krankheitserregern begünstigt wird. Beispielsweise sezerniert der wurzelinfizierende Pilz F. oxysporum ein funktionelles RALF-Mimetikum (F-RALF), um eine extrazelluläre Alkalisierung zu induzieren, indem es direkt auf FER abzielt, um die Pilzvermehrung zu begünstigen (Masachis et al. 2016). Ebenso enthält der Wurzelknotennematode Meloidogyne incognita zwei RALF-ähnliche Gene (MiRALF1 und MiRALF3), die die RALFs des Wirts nachahmen, um FER zu binden, und so die FER-vermittelte Signalübertragung manipulieren, um M. incognita-Parasitismus zu fördern (Zhang et al. 2020b). Daher stellt FER ein Virulenzziel dieser mikrobiellen RALF-ähnlichen Faktoren dar. Kürzlich wurde berichtet, dass zwei FER-homologe CrRLK1L LETUM1 (LET1) und LET2 den Immunrezeptor-Suppressor vom Typ Leucin-Rich Repeat (NLR) mit der Nukleotidbindungsdomäne von mkk1 mkk2 2 (SUMM2)-vermittelter Autoimmunität und Zelltod aktivieren ( Huang et al. 2020; Liu et al. 2020a). RALFs oder verwandte Moleküle könnten die potenziellen Liganden von LET1/LET2 bei der Regulierung der SUMM2-Aktivierung sein. Es ist verlockend zu spekulieren, dass RALFs oder andere Phytozytokin-Nachahmer als „Avirulenz“-Faktoren fungieren könnten, um die NLR-vermittelte Immunität zu aktivieren.

Obwohl die meisten in Krankheitserregern identifizierten RALF-ähnlichen Sequenzen Arabidopsis RALF1 ähneln, vermischen sich pathogenkodierte RALF-Mimetika mit pflanzlichen RALFs ohne offensichtlichen evolutionären Ursprung gemäß den phylogenetischen Analysen (Masachis et al. 2016; Thynne et al. 2017; Zhang et al. 2020b). Bemerkenswert ist, dass RALF-ähnliche Sequenzen, die in den Genomen des Pappelpathogens Sphaerulina music und Septoria populicola gefunden wurden, eng mit einem Pappel-RALF-Gen verwandt sind (Thynne et al. 2017). Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass Krankheitserreger möglicherweise RALF-Gene durch horizontalen Gentransfer von ihren Wirtspflanzen erworben haben. Da ein oder mehrere nicht identifizierte proteinartige Auslöser, die aus Fusarium-Stämmen isoliert wurden, MIK2--vermittelte PTI-Antworten aktivieren, wird vorhergesagt, dass ein oder mehrere funktionelle Analoga von SCOOPs durch Fusarium-Genome kodiert werden (Coleman et al. 2021). Eine Explosionssuche mit Arabidopsis-SCOOPs ergab, dass einige SCOOP-ähnliche (SCOOPL)-Motive in verschiedenen Proteinfamilien in Fusarium-Stämmen existieren (Hou et al. 2021a; Rhodes et al. 2021). Im Gegensatz zu klassischen Phytozytokin-Mimetika scheinen jedoch alle diese SCOOPLs in Proteinen verschiedener Familien verteilt zu sein. Beispielsweise lokalisiert sich einer der Fusarium-SCOOPLs im N-Terminus eines mutmaßlichen Transkriptionsregulators, der in Fusarium-Stämmen konserviert ist (Hou et al. 2021a); Ein weiterer Fusarium SCOOPL ist im C-Terminus einer DNA-Topoisomerase vorhanden (Rhodes et al. 2021).

Darüber hinaus kommen SCOOPLs auch in einem Protein mit unbekannter Funktion vor, das in bakteriellen Comamonadaceae konserviert ist (Hou et al. 2021a). Wichtig ist, dass synthetische Peptide, die einigen dieser SCOOPLs in Fusarium und Comamonadaceae entsprechen, bei der Aktivierung von MIK2-- und/oder BAK1/SERK4--abhängigen Immunantworten wirksam sind, obwohl die Aktivitäten schwächer sind als bei Arabidopsis-SCOOPs (Hou et al. 2021a; Rhodes et al. 2021). Das Ausschalten eines SCOOPL in F. oxysporum 5176 verstärkte die Pilzpathogenität bei Arabidopsis (Hou et al. 2021a). Daher können SCOOPLs als MAMPs und nicht als Virulenzfaktoren fungieren, um MIK2-BAK1/SERK4--vermittelte PTI-Reaktionen zu aktivieren.

Im Vergleich zur weiten Verbreitung von SCOOPLs im Pilz Fusarium spp. und bakterielle Comamonadaceae kommen pflanzliche SCOOPs nur in Brassicaceae-Pflanzen vor und unterliegen einer erheblichen Genexpansion (Gully et al. 2019). Dies deutet darauf hin, dass sich pflanzliche SCOOPs möglicherweise später entwickelt haben als mikrobielle SCOOPLs. Darüber hinaus weist die phylogenetische Analyse darauf hin, dass sich Peptidmotive von Arabidopsis-SCOOPs, Fusarium und Comamonadaceae-SCOOPLs möglicherweise unabhängig voneinander entwickelt haben (Hou et al. 2021a). Darüber hinaus leiten sich pflanzliche SCOOPs von kleinen Peptidvorläuferproteinen ab, wohingegen SCOOPLs von Fusarium und Comamonadaceae in Proteinen vorkommen, die zu unterschiedlichen Familien gehören. Die Divergenz der Proteinfamilien, die SCOOP/SCOOPL beherbergen, legt auch nahe, dass sich SCOOPs und SCOOPLs möglicherweise konvergent entwickelt haben, dies jedoch durch horizontale Gentransfers unwahrscheinlich ist. Daher wird vorhergesagt, dass sich pflanzliche SCOOPs möglicherweise konvergent entwickelt haben, um mikrobielle SCOOPLs nachzuahmen und die durch SCOOPL ausgelöste Immunität zu verstärken (Hou et al. 2021a).

Abschließende Bemerkungen und Perspektiven

Es wurde festgestellt, dass endogene Peptidsignale von Pflanzen seit langem an der Regulierung der pflanzlichen Immunität beteiligt sind. Diese immunmodulatorischen Peptide wurden kürzlich als „Phytozytokine“ definiert, ein Begriff, der von „Zytokinen“ als einer Gruppe von Peptiden abgeleitet ist, die im metazoischen Immunsystem funktionieren. Jüngste Fortschritte haben gezeigt, dass Phytozytokine wie Zytokine produziert und in extrazelluläre Kompartimente freigesetzt werden, wenn Pflanzen von Krankheitserregern befallen werden; Phytozytokine wie MAMPs und DAMPs werden von in der Plasmamembran lokalisierten Rezeptoren erkannt, um kanonische PTI-Reaktionen zu aktivieren oder die pflanzliche Immunität durch einen einzigartigen Signalmechanismus zu regulieren. Allerdings warten noch weitere Phytozytokine und ihre zugehörigen Rezeptoren darauf, in Pflanzen, insbesondere in Nutzpflanzen, identifiziert zu werden. Die funktionelle Spezifität und Koordination zwischen verschiedenen Phytozytokinen der Intra- und Interfamilie bleibt weitgehend unbekannt. Zukünftige Anstrengungen sind erforderlich, um zu entschlüsseln, wie Phytozytokine die Pflanzenresistenz gegen eine Klasse von Krankheitserregern spezialisieren und wie verschiedene Phytozytokine koordinieren, um ein breites Spektrum an Pflanzenresistenz zu erreichen.

In Mikroben wurden mehrere Phytozytokin-ähnliche Sequenzen identifiziert. Diese von Mikroben kodierten Phytozytokine scheinen als Virulenzfaktoren oder MAMPs zu fungieren, um die pflanzliche Immunität zu dämpfen oder zu aktivieren. Darüber hinaus werden viele Phytozytokine von Rezeptoren wahrgenommen, die evolutionär den Rezeptoren einiger proteinhaltiger MAMPs nahestehen. Dies impliziert eine evolutionäre Relevanz zwischen der Phytozytokin-Signalisierung und der MAMP-Signalisierung. Eine systematische und vergleichende Analyse von Phytozytokin-likes in Mikroben auf Genomebene könnte neues Licht auf die Entwicklung der pflanzlichen Immunität werfen. Kürzlich wurde gezeigt, dass PTI und effektorgesteuerte Immunität (ETI), zwei Ebenen pflanzlicher Immunwege, sich gegenseitig verstärken (Ngou et al. 2021; Yuan et al. 2021). Es wird interessant sein, die mögliche Beteiligung von Phytozytokinen an pflanzlichem ETI zu bestimmen und ob die Phytozytokin-Signalisierung als Verbindungspunkt zwischen pflanzlichem PTI und ETI fungieren könnte. Schließlich wirken einige immunologische Phytozytokine auch bei Entwicklungsprozessen und der Pflanzentoleranz gegenüber verschiedenen abiotischen Belastungen. Die molekularen Mechanismen, die dem Signalübersprechen zwischen Phytozytokin-vermittelten verschiedenen physiologischen Prozessen zugrunde liegen, müssen untersucht werden. Die Beantwortung dieser Fragen wird unser Verständnis der Phytozytokinfunktionen verbessern und klären, wie Pflanzen unterschiedliche Stressreaktionen durch Phytozytokinsignale integrieren.

Danksagungen

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Konkurrierende Interessen

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