Системин

Системин - это растительный пептидный гормон, участвующий в раневой реакции семейства пасленовых. Это был первый растительный гормон, пептид которого был выделен из листьев томатов в 1991 году группой под руководством Кларенса А. Райана. С тех пор другие пептиды с аналогичными функциями были идентифицированы в томатах и за пределами пасленовых. Гидроксипролина -Rich гликопептиды были найдены в табаке в 2001 и AtPEPs ( rabidopsis т haliana Р Lant Е licitor Р eptide ы) были найдены в Резуховидка Таля в 2006 г. Их предшественники найдены как в цитоплазме и клеточных стенок из растительных клеток, при насекомых При повреждении предшественники обрабатываются с образованием одного или нескольких зрелых пептидов. Первоначально считалось, что рецептор системина такой же, как рецептор брассинолида, но теперь это остается неопределенным. В сигнальной трансдукции процессы, происходящих после связывания пептидов сходны с цитокиным -опосредованных воспалительной реакции иммунной у животных. Ранние эксперименты показали, что системин перемещался по растению после того, как насекомые повредили растение, активируя приобретенную системную резистентность, теперь считается, что он увеличивает выработку жасмоновой кислоты, вызывая тот же результат. Основная функция системинов - координировать защитные реакции против насекомых- травоядных, но они также влияют на развитие растений. Системин индуцирует выработку ингибиторов протеаз, которые защищают от насекомых-травоядных, другие пептиды активируют дефенсины и изменяют рост корней. Также было показано, что они влияют на реакцию растений на солевой стресс и УФ-излучение. Было показано, что AtPEP влияют на устойчивость к оомицетам и могут позволить A. thaliana различать различные патогены. У Nicotiana attuata некоторые пептиды перестали выполнять защитные функции и вместо этого влияют на морфологию цветка.

СОДЕРЖАНИЕ

1 Открытие и структура
- 1.1 Пептиды с аналогичными функциями
2 Локализация и предшественники
- 2.1 Обработка прекурсоров
3 рецептора
4 Передача сигнала
5 функций
- 5.1 Защита
- 5.2 Устойчивость к абиотическому стрессу
- 5.3 Развитие
6 См. Также
7 ссылки

Открытие и структура

В 1991 году исследовательская группа под руководством Кларенса А. Райана выделила полипептид из 18 аминокислот из листьев томата, который индуцировал выработку белков- ингибиторов протеазы (ИП) в ответ на ранение. Эксперименты с использованием синтетических радиоактивно меченых форм полипептида продемонстрировали, что он способен системно перемещаться по растению и индуцировать продукцию PI в неповрежденных листьях. Из-за системного характера сигнала о ранении он был назван системином, это был первый полипептид, который, как было обнаружено, функционировал как гормон у растений. мРНК, кодирующая системин, обнаружена во всех тканях растения, кроме корней. Более поздние исследования выявили гомологи томатной системыина у других представителей семейства пасленовых, включая картофель, черный паслен и болгарский перец. Системины были идентифицированы только в подтрибе Solaneae семейства Solanaceae, но другие члены этого семейства, такие как табак, также реагируют на ранения путем системного продуцирования ингибиторов протеаз.

Пептиды со схожими функциями

В 2001 году из табака были выделены биологически активные гликопептиды, богатые гидроксипролином, которые активировали выработку ингибиторов протеаз так же, как системин в томатах. Хотя они структурно не связаны с системинами, их сходная функция привела к тому, что они были названы системинами, богатыми гидроксипролином (HypSys). После первоначального открытия другие пептиды HypSys были обнаружены в томатах, петунии и черном паслене. В 2007 году HypSys были обнаружены за пределами пасленовых в сладком картофеле ( Ipomoea batatas ), а анализ последовательностей выявил аналоги HypSys в тополе ( Populus trichocarpa ) и кофе ( Coffea canephora ). Системины высоко консервативны между видами, тогда как HypSys более различаются, но все они содержат консервативный центральный домен, богатый пролином или гидроксипролином.

В 2006 году из Arabidopsis thaliana был выделен полипептид из 23 аминокислот AtPEP1, который, как было обнаружено, активирует компоненты врожденного иммунного ответа. В отличие от HypSys, AtPEP1 не подвергается посттрансляционной модификации путем гидроксилирования или гликозилирования. Шесть паралогов предшественника были идентифицированы у A. thaliana, а также ортологи у винограда, риса, кукурузы, пшеницы, ячменя, канолы, сои, медикаго и тополя, хотя активность этих ортологов не проверялась в анализах. Предполагаемые структуры паралогов AtPEP1 варьируются в пределах A. thaliana, но все они содержат мотив последовательности SSGR / KxGxxN. Ортологи, идентифицированные у других видов, более разнообразны, но все же содержат компоненты мотива последовательности.

Локализация и предшественники

Системин и AtPEP1 находятся в цитозоле клетки. Предшественник с томатным системином является транскрибируются в виде 200 аминокислот полипептида. Он не содержит предполагаемой сигнальной последовательности, предполагающей, что он синтезируется на свободных рибосомах в цитозоле. Предшественник AtPEP1 представляет собой полипептид из 92 аминокислот, который также не имеет сигнальной последовательности. У томатов мРНК, кодирующая предшественник системина, присутствует в очень низких количествах в неповрежденных листьях, но накапливается при ранении, особенно в клетках, окружающих ситчатые элементы флоэмы в сосудистых пучках средних жилок. Предшественник накапливается исключительно в клетках паренхимы флоэмы листьев томата после ранения. Предшественник картофельного системина также локализован сходным образом, что позволяет предположить, что он находится под одной и той же специфической регуляцией клеточного типа у обоих видов.

HypSys локализуются в клеточной стенке. Предшественник табака HypSys транскрибируется как полипептид из 165 аминокислот, который не имеет структурной гомологии с предшественником системина в томате. Структурные свойства HypSys, содержащего гидроксипролин и гликозилированного, указывают на то, что они синтезируются через секреторную систему. Предшественником HypSys в томате является полипептид из 146 аминокислот, синтезируемый исключительно в сосудистых пучках листьев и черешках, связанных с клетками паренхимы пучков флоэмы. В отличие от системина, он в первую очередь связан с клеточной стенкой. Предшественники HypSys, по-видимому, представляют отдельное подсемейство белков, богатых гидроксипролином, обнаруженных в клеточных стенках. Считается, что после ранения протеаза из цитозоля, матрикса клеточной стенки или патогена обрабатывает предшественник, производя активные пептиды HypSys.

Обработка прекурсоров

Оба предшественника системина и AtPEP1 процессируются с образованием одного активного пептида от С-конца предшественника. Было высказано предположение, что ProAtPEP1 обрабатывается CONSTITUTIVE DISEASE RESISTANCE 1, апопластной аспарагиновой протеазой. Предшественники HypSys процессируются более чем в один активный пептид. В табаке он перерабатывается в два пептида, в петунии - в три, а в сладком картофеле - в шесть. Предшественник HypSys в сладком картофеле, состоящий из 291 аминокислоты, является самым длинным из описанных предшественников. Производство нескольких сигнальных пептидов из одного предшественника - обычная особенность, обнаруживаемая у животных.

Рецепторы

Чрезвычайно малые количества томатного системин являются активными, фемто- молярные концентрации пептида достаточны, чтобы вызвать реакцию на уровне целого растени, что делает его одним из самых мощных активаторов генов, идентифицированных. Рецептор для томатного системина был идентифицирован как 160K Da богатого лейцина повторов рецептор, как киназы (LRR-РЛК), SR160. После выделения было обнаружено, что он очень похож по структуре на BRI1 из A. thaliana, рецептор, с которым брассинолиды связываются на клеточной мембране. Это был первый рецептор, который, как было обнаружено, способен связывать как стероид, так и пептидный лиганд, а также участвовать как в защитных реакциях, так и в ответных реакциях развития. Недавние исследования показали, что первоначальный вывод о том, что BRI1 является рецептором томатного системина, может быть неверным. У мутантов cu3 томата нулевой аллель со стоп-кодоном, присутствующий во внеклеточном LRR-домене BRI1, препятствует правильной локализации рецептора, а также в нем отсутствует киназный домен, необходимый для передачи сигналов. Эти мутанты нечувствительны к брассинолиду, но все же реагируют на томатный системин, продуцируя ингибиторы протеаз и вызывая реакцию защелачивания. Это привело Holton et al. чтобы предположить, что существует другой механизм, с помощью которого воспринимается системин. Дальнейшие исследования показали, что связывание системина с BRI1 не вызывает фосфорилирования рецептора, как при связывании брассинолидов, предполагая, что он не передает сигнал. Когда BRI1 будет молчать в томатных растениях имеют сходный фенотип CU3 мутанты пока все еще в состоянии нормально реагировать на системин, укрепляя мнение, что BRI1 не является рецептором системина.

В 1994 году было обнаружено, что системин томата связывается с белком 50 кДа в клеточной мембране томата. Белок имеет структуру, аналогичную протеазам Kex2p-подобных конвертаз прогормона. Это привело Шаллера и Райана к предположению, что он не является рецептором, а вместо этого участвует в процессинге ProSys в активную форму или в деградации Sys. Синтетические формы томатного системина с замещенными аминокислотами в предполагаемом сайте двухосновного расщепления оставались стабильными в культурах клеток дольше, чем нативная форма. Более поздние исследования показали, что ферменты, ответственные за обработку ProSys, остаются неустановленными. На сегодняшний день не сообщалось о каких-либо дальнейших исследованиях белка 50 кДа, и ген не был идентифицирован.

О рецепторах для HypSys пока не сообщалось, но считается, что они воспринимаются на клеточной мембране LRR-RLK.

Рецептор для AtPep1 был идентифицирован как LRR-RLK 170 кДа и был назван AtPEPR1. AtPep1 активен при 0,1 нано-молярного (нМ) концентрации и насыщается рецепторов при 1 нМ. Анализ структуры рецептора AtPEPR1 показал, что он является членом подсемейства LRR XI LRR-RLK у A. thaliana, которое включает рецептор другого пептидного гормона CLAVATA3. Трансформация культур клеток табака с помощью AtPEPR1 позволяла им реагировать на AtPep1 в тесте на подщелачивание, тогда как нормальный табак не проявлял такой реакции. BRI1-ассоциированная рецепторная киназа 1 (BAK1) представляет собой LRR-RLK, обнаруженный в A. thaliana, который, как предполагается, функционирует как адаптерный белок, необходимый для правильного функционирования других RLK. Двухгибридные анализы дрожжей показали, что AtPEPR1 и его ближайший аналог AtPEPR2 взаимодействуют с BAK1.

Передача сигнала

Предлагаемая система передачи сигналов для систем. MAPKs = митоген -активируемые протеинкиназы PL = фосфолипаза JA = жасмоновая кислота LA = линоленовая кислота

Хотя рецепторы системинов и HypSys остаются плохо изученными, мы лучше понимаем передачу сигнала, которая происходит после связывания пептида со своим рецептором. Жасмоновая кислота является важным, хотя и поздним компонентом системного пути и сигнальных путей раны. В томате сигнал передается от рецептора митоген-активируемыми протеинкиназами (MAPK). Cosilencing двух MAPK, MPK1 и MPK2, в томате поставил под угрозу их защитный ответ против личинок насекомых по сравнению с растениями дикого типа. Косиленсирование этих генов также снижает выработку жасмоновой кислоты и зависимых от жасмоновой кислоты защитных генов. Применение метилжасмоната к успокоенным растениям спасло их, указав, что жасмонаты являются сигналом, ответственным за изменение экспрессии генов. Подщелачивание апопласта является последующим эффектом обработки сигналов с помощью MAPK. Применение фузикокцина, который активирует H ⁺ АТФазу, ингибируемую системином, вместе с системином по-прежнему активирует MAPK, даже несмотря на то, что pH апопласта не изменяется.

В течение нескольких минут после системного восприятия концентрация цитозольного Ca ²⁺ увеличивается, и линоленовая кислота высвобождается из клеточных мембран после активации фосфолипазы. Затем линоленовая кислота превращается в жасмоновую кислоту через октадеканоидный путь, а жасмоновая кислота активирует защитные гены. Производство метилжасмоната индуцируется системинами, а также активирует гены-предшественники системина, создавая петлю обратной связи, усиливая защитный сигнал. Метилжасмонат летуч и поэтому может активировать системную приобретенную резистентность у соседних растений, подготавливая их защиту к атаке. Эти сигнальные события аналогичны опосредованному цитокинами воспалительному иммунному ответу у животных. Когда у животных активируется воспалительная реакция, активируются MAPK, которые, в свою очередь, активируют фосфолипазы. Липиды в мембране превращаются в арахидоновую кислоту, а затем в простагландины, аналоги жасмоновой кислоты. Оба пути могут подавляться сурамином.

Ранние эксперименты с радиоактивно меченным системином на томатах продемонстрировали, что он транспортируется через сок флоэмы в растениях томата и, следовательно, считается системным сигналом, активирующим системную приобретенную устойчивость. Это мнение было оспорено экспериментами по прививке, которые показали, что мутанты, дефицитные по биосинтезу и восприятию жасмоновой кислоты, неспособны активировать системную приобретенную резистентность. Сейчас считается, что жасмоновая кислота является системным сигналом, и что система активирует пути синтеза жасмоновой кислоты.

Функции

Защита

Системин активирует процессы, которые помогают томату отпугивать насекомых-травоядных, таких как томатный рогатый червь.

Системин играет важную роль в передаче защитных сигналов в томате. Он способствует синтезу более 20 белков, связанных с защитой, в основном белков антипитания, белков сигнального пути и протеаз. Сверхэкспрессия просистемина приводила к значительному снижению повреждений личинок, указывая на то, что высокий уровень конститутивной защиты превосходит индуцибельный защитный механизм. Однако непрерывная активация просистемина обходится дорого, влияя на рост, физиологию и репродуктивный успех растений томата. Когда системин был подавлен, продукция ингибиторов протеаз в томатах была сильно нарушена, и личинки, питавшиеся растениями, росли в три раза быстрее. HypSys вызывал аналогичные изменения в экспрессии генов в табаке, например, активность полифенолоксидазы в листьях табака увеличивалась в десять раз, а ингибиторы протеаз вызывали 30% -ное снижение активности химотрипсина в течение трех дней после ранения. Когда HypSys чрезмерно экспрессировался в табаке, личинки, питавшиеся трансгенными растениями, весили вдвое меньше после десятидневного кормления, чем личинки, питавшиеся нормальными растениями. Концентрация перекиси водорода увеличивается в тканях сосудистой сети, когда индуцируется продукция системина, HypSys или AtPep1, это также может быть вовлечено в инициирование системной приобретенной устойчивости.

Растения томата, сверхэкспрессирующие systemin, также накапливали HypSys, но не накапливали, если предшественник systemin был замалчив, что указывает на то, что у томатов HypSys контролируется системином. Каждый из трех пептидов HypSys в томате способен активировать синтез и накопление ингибиторов протеаз. Когда HypSys замалчивается, продукция ингибиторов протеаз, индуцированная ранением, уменьшается вдвое по сравнению с растениями дикого типа, что указывает на то, что и системин, и HypSys необходимы для сильного защитного ответа против травоядных у томатов.

При нанесении через нарезанные черешки в Petunia, HypSys не индуцирует выработку ингибиторов протеазы, но вместо этого повышенной экспрессии дефенсина, ген, который производит белка, который вставляет в микробные мембраны, образующие поры. Экспрессия дефенсина также индуцируется AtPEP1.

Растения томатов, чрезмерно экспрессирующие системин, производили больше летучих органических соединений (ЛОС), чем нормальные растения, и осы-паразитоиды сочли их более привлекательными. Системин также усиливает экспрессию генов, участвующих в производстве биологически активных ЛОС. Такой ответ имеет решающее значение для эффективности антипитательной защиты, поскольку без хищников развивающиеся насекомые потребляли бы больше растительного материала, завершая свое развитие. Вероятно, что производство ЛОС регулируется различными путями, в том числе путем оксилипина, который синтезирует альдегиды жасмоновой кислоты и спирты, которые участвуют в заживлении ран.

Различные AtPeps могут позволить A. thaliana различать разные патогены. При заражении грибком, оомицетом и бактерией увеличение экспрессии AtPep варьировалось в зависимости от патогена. A. thaliana, сверхэкспрессирующая AtProPep1, была более устойчивой к оомицету Phythium irregulare.

Система подавления молчания не влияла на способность паслена черного противостоять травоядным растениям, и при конкуренции с нормальными растениями подавленные растения производили больше наземной биомассы и ягод. В случае травоядных, системин был понижен у черного паслена, в отличие от других пептидов, у которых повышенная регуляция после травоядных. Напротив, HypSys были активированы и активировали синтез ингибиторов протеазы. Снижение регуляции системина было связано с увеличением массы корней, но не уменьшало массу побегов, демонстрируя, что системин может вызывать изменения в развитии в результате травоядности, позволяя растению терпеть, а не напрямую сопротивляться атаке. На корни томатов также воздействовал системин томата, при этом рост корней увеличивался при высоких концентрациях системина томата. Выделяя больше ресурсов корням, считается, что атакованные растения накапливают углерод, а затем используют его для повторного роста, когда атака заканчивается. Сверхэкспрессия AtPEP1 также увеличивала биомассу корней и побегов A. thaliana.

Устойчивость к абиотическому стрессу

Было обнаружено, что сверхэкспрессия системина и HypSys улучшает устойчивость растений к абиотическому стрессу, включая солевой стресс и УФ-излучение. Когда просистемин был чрезмерно экспрессирован в томатах, трансгенные растения имели более низкую устьичную проводимость, чем нормальные растения. При выращивании в солевых растворах трансгенные растения имели более высокую устьичную проводимость, более низкие концентрации абсцизовой кислоты и пролина в листьях и более высокую биомассу. Эти данные свидетельствуют о том, что системин либо позволял растениям более эффективно адаптироваться к солевому стрессу, либо они воспринимали менее стрессовую среду. Точно так же поврежденные растения томатов были менее восприимчивы к солевому стрессу, чем не поврежденные растения. Это может быть связано с тем, что ранение замедляет рост растения и, следовательно, замедляет поглощение токсичных ионов корнями. Анализ индуцированных солью изменений в экспрессии генов показал, что различия, измеренные между трансгенными и нормальными растениями, не могут быть объяснены изменениями в традиционных путях, индуцированных солевым стрессом. Вместо этого Орсини и др. предположили, что активация пути жасмоновой кислоты определяет физиологическое состояние, которое не только направляет ресурсы на производство соединений, активных против вредителей, но также предварительно адаптирует растения для минимизации потери воды. Эти эффекты достигаются путем негативного регулирования выработки гормонов и метаболитов, что заставляет растения вкладывать дополнительные ресурсы, чтобы противодействовать потере воды, вторичному эффекту травоядных животных.

Растения, выращенные в УФ-В свете, более устойчивы к травоядным насекомым по сравнению с растениями, выращенными под фильтрами, исключающими излучение. Когда растения томатов подвергаются воздействию импульса УФ-В излучения, а затем становятся слабыми, ИП накапливаются по всему растению. Сами по себе ни радиации, ни слабого ранения недостаточно, чтобы вызвать системное накопление PI. Культуры клеток томата реагируют аналогичным образом, при этом системин и UVB действуют вместе, активируя MAPK. Короткие импульсы UVB также вызывают ощелачивание среды культивирования.

Разработка

В Nicotiana attenuata HypSys известно не участвуют в защите от травоядных насекомых. Молчание и сверхэкспрессия HypSys не влияет на кормление личинок по сравнению с нормальными растениями. Бергер заглушил HypSys и обнаружил, что он вызывает изменения в морфологии цветков, что снижает эффективность самоопыления. У цветов были пестики, которые выступали за их пыльники, фенотип подобен растениям с молчанием CORONATINE-INSENSITIVE1, у которых отсутствует жасмонатный рецептор. Измерение уровней жасмоната в цветках показало, что они были ниже, чем у нормальных растений. Авторы предположили, что пептиды HypSys в N. attuata различаются от их функции в качестве связанных с защитой пептидов до участия в контроле морфологии цветков. Однако процессы передачи сигналов остаются схожими и опосредуются жасмонатами.

Системин также увеличивает рост корней Solanum pimpinellifolium, что позволяет предположить, что он также может играть некоторую роль в развитии растений.

Смотрите также

использованная литература