Comprender y explotar las modificaciones postraduccionales para la resistencia a las enfermedades de las plantas Parte 1

Abstracto:

Las plantas están constantemente amenazadas por patógenos, por lo que han desarrollado complejas redes de señalización de defensa para superar los ataques de patógenos. Las modificaciones postraduccionales (PTM) son fundamentales para la inmunidad de las plantas, ya que permiten respuestas rápidas y dinámicas en el momento adecuado. La regulación de PTM es esencial; los efectores de patógenos a menudo interrumpen los PTM en un intento de evadir las respuestas inmunitarias.

Aquí, cubrimos los mecanismos de resistencia a las enfermedades a los patógenos y cómo el crecimiento se equilibra con la defensa, con un enfoque en los roles esenciales de los PTM. La alteración de los PTM relacionados con la defensa tiene el potencial de afinar las interacciones moleculares para producir cultivos resistentes a las enfermedades, sin sacrificar el crecimiento y la aptitud.

Los mecanismos de resistencia están íntimamente relacionados con la inmunidad. Los mecanismos de resistencia incluyen el sistema de defensa del cuerpo contra bacterias, virus y otras sustancias extrañas, incluyendo principalmente las barreras cutáneas y mucosas, las defensas celulares no específicas, las respuestas inflamatorias y las defensas inmunitarias específicas. La resistencia está estrechamente relacionada con la inmunidad. También necesitamos mejorar la inmunidad en nuestra vida diaria. La pasta de carne contiene una variedad de ingredientes biológicamente activos, como polisacáridos, champiñones y lirios amarillos. Estos ingredientes pueden estimular el sistema inmunológico de varios tipos de células, aumentando su actividad inmunológica.

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Palabras clave:

modificaciones postraduccionales; inmunidad vegetal; fosforilación; ubiquitinación; SUMOilación; defensa.

1. Introducción

El crecimiento y la supervivencia de las plantas se ven constantemente amenazados por el estrés biótico, incluidos los patógenos de las plantas que consisten en virus, bacterias, hongos y cromistas. En el contexto de la agricultura, las pérdidas de rendimiento de los cultivos debido a patógenos se estiman en alrededor del 20 por ciento en todo el mundo en cultivos básicos [1]. La propagación de plagas y enfermedades en nuevos entornos está aumentando: los fenómenos meteorológicos más extremos asociados con el cambio climático crean entornos favorables para los patógenos transmitidos por los alimentos y el agua [2,3].

Las estimaciones significativas de pérdidas de cultivos por patógenos resaltan la necesidad de desarrollar cultivos con rasgos de resistencia a enfermedades contra patógenos actuales y emergentes. Los métodos de protección de cultivos tienen baja efectividad contra los patógenos, lo que incluye fungicidas e insecticidas que controlan las transmisiones virales de insectos; además, la resistencia contra estos productos químicos está aumentando [4,5]. La resistencia se refiere a la incapacidad de un patógeno para completar su ciclo de vida en esa especie vegetal [6]; enfocarse en la resistencia del huésped para mejorar es el método más económico y efectivo para controlar la reducción de las pérdidas de cultivos por enfermedades [7–9].

El desarrollo de soluciones novedosas para este problema creciente requiere una comprensión más profunda de los mecanismos de defensa de las plantas. Más allá de la expresión génica y la transcriptómica, la proteómica es particularmente útil ya que puede medir directamente la abundancia relativa de proteínas, así como detectar modificaciones postraduccionales (PTM) [10]. Los PTM pueden activar, desactivar o cambiar la función de la proteína para inducir o atenuar respuestas específicas de la planta. El análisis a nivel de proteína puede revelar objetivos patógeno-huésped, recambio de proteínas e interacciones proteína-proteína en la señalización de defensa para modificar y aumentar la inmunidad en los cultivos [11]. Esta revisión describe las funciones de los PTM en la inmunidad y el potencial para manipular los PTM para mejorar la resistencia a las enfermedades.

2. El marco de la defensa vegetal

Debido a su naturaleza sésil, las plantas dependen en gran medida de las defensas químicas contra el estrés biótico y abiótico [11]. Las plantas se enfrentan constantemente al estrés biótico: la infección por patógenos daña el crecimiento, la reproducción y la supervivencia de las plantas. Las plantas tienen sistemas de defensa para superar o reducir los ataques de patógenos, que incluyen barreras físicas para evitar la entrada de patógenos y un sistema inmunitario innato para responder a los ataques de patógenos [12].

El sistema inmunitario innato inducible de la planta se compone de inmunidad activada por PAMP (PTI) e inmunidad activada por efectores (ETI) que se superponen significativamente (Figura 1) [13–16]. Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) se utiliza como sistema modelo predominante para estudiar los eventos moleculares de la vía de señalización de defensa, pero el sistema general se conserva en monocotiledóneas y dicotiledóneas [17]. Las estructuras moleculares conservadas de los microbios conocidas como patrones moleculares asociados a patógenos (PAMP) son reconocidas por los receptores de reconocimiento de patrones de la superficie celular (PRR), lo que desencadena respuestas inmunitarias posteriores [13,18,19]. Las interacciones PAMP-PRR bien definidas son el péptido de flagelina bacteriana flg22 y su receptor afín FLAGELLING-SENSING 2 (FLS2) [20,21], el factor de elongación bacteriano térmicamente inestable (EFTu) y su receptor receptor EF-Tu (EFR) [22, 23], y el polisacárido quitina de la pared celular fúngica y su receptor CHITIN ELICITOR RECEPTOR KINASE 1 (CERK1) [24,25]. Estos PRR son quinasas similares a receptores que inician una cascada de fosforilación para activar enzimas o genes relacionados con la defensa [26] (Figura 1).

El patógeno secreta varios efectores para interrumpir la función celular durante la infección. A diferencia de los PAMP, los efectores son diversos e incluyen proteínas, sRNA, sustancias químicas, toxinas y hormonas que aumentan la infección por patógenos al beneficiar al patógeno o suprimir la defensa del huésped. Los receptores intracelulares llamados dominio de unión a nucleótidos, proteínas que contienen repeticiones ricas en leucina (NLR, también conocidas como NB-LRR) detectan efectores específicos que se administran en la célula vegetal para desencadenar la inmunidad activada por efectores (ETI). Los NLR pueden detectar efectores o funcionar como ayudantes para desencadenar la transducción de señales [27]. La detección por NLR es directamente (modelo de receptor-ligando) o, en la mayoría de los casos, indirectamente a través de los mecanismos de 'guardia' o 'señuelo' [28, 29]. Los dos grupos principales de NLR son la repetición rica en leucina (TNL) del sitio de unión al nucleótido similar al receptor Toll-interleucina-1 y la bobina enrollada (CC)-NBSLRR (CNL) [27,30].

Además, la resistencia al mildiú polvoroso 8 (RPW8)-NBS-LRR (RNL) funciona como NLR auxiliar [31,32]. Las proteínas aguas abajo de la activación de NLR incluyen RESISTENCIA A ENFERMEDADES NO ESPECÍFICAS DE LA RAZA 1 (NDR1) y SUSCEPTIBILIDAD A LA ENFERMEDAD 1 MEJORADA (EDS1) [33] (Figura 1). Estas vías conducen a resultados que incluyen la acumulación de ácido salicílico y la activación de genes de defensa [34,35].

Los cambios moleculares y fisiológicos inducidos aguas abajo de los PRR y los NLR incluyen la activación de la proteína quinasa activada por mitógenos (MAPK), la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS), el cierre de estomas, la expresión de genes de defensa, la respuesta hipersensible (HR) y la muerte celular, la deposición de calosa y la lignificación. , reducción de la fotosíntesis, aumento de la respiración y expresión de proteínas RELACIONADAS CON LA PATOGENIA (PR) y producción de compuestos antimicrobianos [10,11,36–38]. La percepción de patógenos desencadena cambios en los niveles hormonales, incluido el ácido salicílico (SA) que interviene en las defensas contra biótrofos y hemibiótrofos, y el ácido jasmónico (JA)/etileno, que interviene en las defensas contra necrótrofos [39].

La comprensión de la respuesta de defensa de la planta en el organismo modelo Arabidopsis o cultivos no es completa. Muchos estudios se han basado en la genómica o la transcriptómica; sin embargo, los cambios transcripcionales no reflejan los procesos de regulación celular completos, ya que no se tienen en cuenta los procesos postranscripcionales que alteran la cantidad de proteína activa, la síntesis, la degradación, el procesamiento y la modificación de las proteínas.

Por lo tanto, se necesitan enfoques complementarios como el perfil de expresión basado en proteomas para obtener una imagen completa de los elementos reguladores en las interacciones planta-patógeno [40]. En casi todas las etapas de la defensa, los PTM son importantes, ya que permiten una activación y señalización rápidas; Los PTM actúan como interruptores moleculares para alterar rápidamente las funciones de las proteínas [41,42]. Esta revisión considera los PTM en el mejoramiento de cultivos, entre otros enfoques. La modificación de PTM puede ofrecer un enfoque más matizado y provocar menos penalización en el rendimiento que la eliminación de genes o la introducción de genes.

3. Las modificaciones postraduccionales tienen un papel fundamental en la defensa

Las modificaciones postraduccionales son críticas para las respuestas de defensa de las plantas y están involucradas en casi todos los aspectos del crecimiento y desarrollo de las plantas. Los PTM permiten que la función de la proteína se extienda por encima de su estructura determinada por la secuencia de aminoácidos primaria para controlar casi todas las características de la función de la proteína. Los sistemas PTM son el objetivo de numerosos efectores patógenos; por lo tanto, vale la pena investigar los PTM en términos de modificación y explotación en cultivos. Este trabajo se centrará en la fosforilación, la ubiquitinación y la SUMOilación, las PTM mejor estudiadas, que son reversibles (Figura 2). Otros para mencionar brevemente son la N-miristoilación, la S-acilación, la S-nitrosilación, la acetilación, la glicosilación, la sulfonación y la modificación redox, que también tienen funciones en la inmunidad [42,43] pero no se tratan en esta revisión. La reversibilidad es crucial para regular la intensidad y la duración de la actividad de la proteína y la respuesta de defensa [44].

Figura 2. Vías de modificación postraduccional. La fosforilación es el proceso catalizado por proteínas quinasas en el que un grupo fosfato (PO4) se transfiere del ATP a los grupos hidroxilo de la cadena lateral en los residuos de serina, treonina o tirosina en una proteína diana. Las fosfatasas hidrolizan el enlace fosfodiéster para eliminar el grupo fosfato. La ubiquitinación implicó la acción secuencial de las enzimas activadoras de ubiquitina (E1), las enzimas conjugadoras de ubiquitina (E2) y las ligasas de proteína-ubiquitina (E3) para unir covalentemente la ubiquitina a la lisina objetivo.

Diferentes enlaces de unión de ubiquitina y longitudes de cadena tienen diferentes funciones; por ejemplo, la tetraubiquitina unida a K48-se dirige a la proteína para la degradación proteasómica 26S. Las enzimas desubiquitinantes (DUB) catalizan la desubiquitinación. La SUMOilación es análoga a la ubiquitinación e implica la acción secuencial de las enzimas SUMO E1, E2 y E3 para unir covalentemente SUMO a la lisina objetivo. SUMO se sintetiza como un precursor inactivo que tiene su péptido C-terminal escindido por una proteasa SUMO que expone el motivo de diglicina. Las proteasas SUMO también catalizan la eliminación de SUMO.

3.1. Fosforilación

La fosforilación es primordial en varios aspectos de la inmunidad para controlar la actividad enzimática y en la señalización. La fosforilación es crucial en las respuestas posteriores de PRR a través de cascadas de fosforilación; la fosforilación es un cambio rápido y transitorio (Figura 2) y es esencial en la transducción de señales inmunitarias [42]. La percepción del ligando en varios PRR estimula el reclutamiento del correceptor BRI1-RECEPTOR ASOCIADO DE CINASA (BAK1) (también conocido como RECEPTOR DE EMBRIOGÉNESIS SOMÁTICA CINASA 3 (SERK3)), que se heterodimeriza con varias cinasas similares a receptores (RLK), incluida FLS2 , INSENSITIVO A LOS BRASINOSTEROIDES-1 (BRI1) y EFR [45]. BAK1 se fosforila de manera diferencial cuando forma complejo con diferentes complejos PRR [46]. La CINASA 1 INDUCIDA POR BOTRYTIS (BIK1) es un sustrato de BAK1 y el par aparece en muchas vías de señalización de defensa. La autofosforilación y la transfosforilación son esenciales tanto para BIK1 como para BAK1 en su interacción e interacción con otros componentes aguas abajo en la transmisión de señales [45]. La disociación de BIK1 activa la señalización posterior, como la activación de cascadas de MAPK, la reprogramación transcripcional y la producción de ROS [47,48]. BIK1 fosforila directamente la proteína D homóloga de la oxidasa del estallido respiratorio (RbohD), una NADPH oxidasa que produce el estallido de ROS para inducir el cierre de los estomas y actuar como moléculas antimicrobianas [49,50].

BAK1 es una quinasa clave en la inmunidad de las plantas que posee numerosos sitios de fosforilación para regular resultados específicos, como lo demuestran los estudios de mutagénesis. Algunos sitios de fosforilación tienen efectos positivos y algunos tienen efectos negativos sobre la función BAK1 [51,52]. La mutación T455A (treonina a alanina) suprime la actividad de la cinasa BAK1, y el residuo BAK1 conservado Y403 es importante para la activación inducida por ligando del complejo del receptor inmunitario [53]. Los patrones de fosforilación son específicos para mediar en la respuesta, lo que permite que BAK1 regule la defensa y la señalización de brasinoesteroides.

Por ejemplo, se sugirió que las variantes mutantes BAK1 específicas BAK1C408Y y BAK1T450A provocan patrones de fosforilación diferenciales en receptores específicos. Se llegó a esta conclusión ya que los fenotipos mutantes BAK1C408Y y BAK1T450A muestran una señalización de defensa deteriorada pero con una señalización de brasinoesteroide (BR) mediada por BAK1-tipo salvaje (WT) [53,54]. Estos fenotipos son diferentes del alelo nulo BAK1; por lo tanto, mutaciones claras en residuos específicos pueden alterar el fenotipo [46,55]. Curiosamente, la mutación en C408 redujo la fosforilación de Y403, que se muestra usando un anticuerpo pY403 específico, lo que destaca que los residuos que rodean el sitio de unión de PTM pueden influir en el estado de PTM [56]. Este enfoque de mutagénesis para potencialmente mutar los residuos que rodean el PTM podría ser ventajoso para estabilizar/desestabilizar los PTM sin bloquear la formación de PTM, para reducir o mejorar las interacciones en algunas circunstancias.

Está claro que la fosforilación es fundamental para la defensa en la transducción de señales [57]; la activación de las MAPK MPK3, MPK4 y MPK6 (MPK3/4/6) es un sello distintivo de la activación del sistema inmunitario y es crucial para establecer la resistencia a las enfermedades [58]. Todos los PRR conocidos activan dos cascadas de MAPK (Figura 1) que consisten en MAPK quinasa (MKKK), MAPK quinasa (MKK) y MAPK: MAPKKK3/MAPKKK5-MKK4/MKK5-MPK3/MPK6 que regula positivamente defensa y MEKK1 - MKK1/MKK2-MPK4 que regula negativamente las respuestas inmunitarias [58–62]. La fosforilación de sustratos posteriores, como los factores de transcripción WRKY, provoca cambios transcripcionales [63]. Por ejemplo, WRKY33 es un sustrato de MPK3/6 que activa la transcripción de PHYTOALEXIN DEFICIENT 3 (PAD3) que codifica una enzima del citocromo P450 (CYP71B15) que lleva a cabo el último paso de la biosíntesis de camalexina, provocando la inducción de camalexina, que tiene efectos antimicrobianos [63]. ,64].

Además, la activación de MPK3/6 es fundamental para incluir la inhibición de la fotosíntesis para promover la acumulación de ROS en los cloroplastos y la muerte de las células HR [65]. Además, MPK4 es el objetivo del efector HopAI1 bacteriano de tipo III de Pseudomonas syringae y actúa como guardián del SUPRESOR DE NLR DE MKK1 MKK2 2 (SUMM2) [66]. La interrupción de la cascada de cinasas MEKK1-MKK1/2-MPK4 da como resultado respuestas inmunitarias constitutivas mediadas por la proteína NLR SUMM2 [67].

La reversibilidad es primordial para controlar los estados de fosforilación para regular la transducción de señales, la activación constitutiva de la defensa conduce a defectos de crecimiento [68]. La fosforilación de los complejos PRR, incluido FLS2-BAK1-BIK1, está regulada negativamente por la PROTEÍNA FOSFATASA TIPO 2A (PP2A) y la PROTEÍNA FOSFATASA TIPO 2C (PP2C) [42,69,70].

De manera similar, CERK1-PROTEÍNA FOSFATASA 1 QUE INTERACTÚA (CIPP1) desfosforila CERK1, en ausencia de quitina, para regular negativamente la señalización de CERK1 [71]. Las fosfatasas ARABIDOPSIS FOSFATASA 2C (AP2C) interactúan con MPK3, 4 y 6 para regular negativamente la inmunidad innata contra el patógeno fúngico necrotrófico Botrytis cinerea [72,73]. La MAP QUINASA FOSFATASA1 (MKP1) y la PROTEÍNA TIROSINA FOSFATASA1 (PTP1) actúan como represores de la señalización de estrés dependiente de MPK3/MPK6-inapropiada [74,75]. Además, la fosforilación puede conducir a la desfosforilación por retroalimentación; por ejemplo, MKP1 es fosforilado por MPK6, uno de los sustratos de MKP1 [76].

3.2. ubiquitinación

La ubiquitina (Ub) se une covalentemente a residuos de lisina específicos de proteínas diana a través de una cascada enzimática, que es reversible (Figura 2) [77]. La mayoría de las proteínas ubiquitiladas, especialmente aquellas modificadas con cadenas de poliubiquitina unidas a lisina48(K48), son objeto de degradación por parte del proteasoma 26S [78,79]. Sin embargo, la ubiquitinación tiene varias funciones, incluida la señalización, el tráfico endocítico, etc., dependiendo del vínculo de unión específico [80,81]. El sistema de ubiquitina es necesario para la inmunidad innata y su regulación [82,83].

Por ejemplo, la expresión de una variante de ubiquitina con un cambio K48R (lisina a arginina) evita las uniones de K48 (Figura 2) y altera las respuestas a los virus en el tabaco [82]. K48 es uno de los enlaces de ubiquitina más abundantes que causan la degradación proteasómica mediada por ubiquitina, aunque pueden estar involucrados otros enlaces [77,84]. Diferentes enzimas de la maquinaria de ubiquitina afectan la inmunidad. Arabidopsis tiene dos Ub E1, ENZIMA ACTIVADORA DE UBIQUITINA 1 (UBA1) y UBA2, que son parcialmente redundantes. El mutante nulo de UBA1, mos1, es defectuoso en inmunidad innata, mientras que las plantas mutantes nulas uba2 no tienen defectos en inmunidad. Se demostró que la activación y la señalización aguas abajo de varias proteínas de resistencia (R) requieren Ub E1 UBA1 [83].

Muchas ligasas de ubiquitina E3 están involucradas en la inmunidad de las plantas al llevar a cabo la ubiquitinación en sustratos objetivo [85]. La ubiquitinación es esencial para regular los niveles de los componentes del sistema inmunológico de las plantas a través de la renovación de proteínas para evitar respuestas excesivas o inapropiadas. Esto se ilustra con el mutante de la planta u-box 13 (pub13) que ha mejorado las respuestas inmunitarias al ataque de patógenos o la percepción de flg22.

Sin embargo, el mutante pub13 demuestra respuestas autoinmunes, es decir, provoca la muerte celular espontánea y la acumulación de ROS en ausencia de estrés, lo que demuestra la importancia de la regulación de PTM [86]. Se demostró además que FLS2 está poliubiquitinado específicamente por las ligasas PUB12/13 de ubiquitina E3 que se dirigen a FLS2 para su degradación. Curiosamente, la fosforilación por BAK1 activa PUB12/13 después de que FLS2 se una a la flagelina, lo que demuestra la atenuación de la retroalimentación de las respuestas de FLS2 y la dependencia de múltiples PTM en la regulación de la defensa [86]. La actividad de la quinasa BAK1 es esencial para mediar su interacción con PUB13, ya que el mutante inactivo de la quinasa BAK1 que tiene la sustitución K317M ya no podría interactuar con PUB13 [87]. PUB13 también ubiquitina la CINASA 5 TIPO RECEPTOR QUE CONTIENE LYSM (LYK5), y la degrada para regular las defensas desencadenadas por quitina (Figura 1) [88]. La ligasa Ub E3 PUB25/26 se dirige a la quinasa inmune BIK1 no activada para degradarla y modular los niveles de BIK1 (Figura 1) [89]. PUB4 interactúa con CERK1 y es un regulador positivo de las respuestas inmunitarias inducidas por quitina [90].

La sobreacumulación de NLR a menudo conduce a respuestas autoinmunes. Para evitar esto, las proteínas NLR SUPPRESSOR OF NPR1-1, CONSTITUTIVE 1 (SNC1) y RESISTANT TO P. SYRINGAE 2 (RPS2) son objeto de ubiquitinación y degradación por parte de SKP1- CULLIN{{6} }Complejo de caja F (SCF) (Cheng et al., 2011). Por el contrario, Arabidopsis Ub E3 ligasas RPM1 INTERACTION PROTEIN 2 y 3 (RIN2 y RIN3) contribuyen positivamente a la RESISTENCIA DE NLR A P. SYRINGAE PV. HR dependiente de MACULICOLA 1 (RPM1) y RPS2- (Kawasaki et al., 2005).

La ubiquitinación es esencial para permitir la activación de las respuestas de JA contra los necrótrofos. Las proteínas JASMONATE-ZIM-DOMAIN PROTEIN 1 (JAZ) funcionan como represores transcripcionales de genes que responden a JA [91]. El JA bioactivo (conjugado de jasmonato-isoleucina (JA-Ile)) promueve la interacción física entre el complejo de ubiquitina ligasa SCFCOI1 y las proteínas JAZ para causar la degradación proteasomal de JAZ mediada por ubiquitina, para permitir la expresión de genes dependientes de JA [91-93].

Aunque las Ub E3 determinan en gran medida la especificidad del sustrato [94-97], las enzimas desubiquitinantes (DUB) también tienen especificidad de sustrato [80,98]. Esto es importante en la inmunidad; por ejemplo, se descubrió que las enzimas desubiquitinantes PROTEASA 12 y 13 ESPECÍFICAS DE LA UBIQUITINA de Arabidopsis (AtUBP12 y AtUBP13) regulan negativamente la inmunidad de las plantas [99]. Sin embargo, UBP12 y UBP13 son reguladores positivos de las respuestas de JA y pueden actuar estabilizando MYC, lo que da como resultado que la vía de JA suprima la inmunidad mediada por SA [100].

3.3. SUMOilación

Además de la ubiquitina, los polipéptidos similares a la ubiquitina se conjugan covalentemente con sustratos en eucariotas a través del sustrato lisina (Figura 2). Un pequeño modificador similar a la ubiquitina (SUMO) es otro PTM importante involucrado en las respuestas al estrés biótico de las plantas. Los cambios globales de SUMOylome ocurren en los ataques de patógenos [101–104]. Por ejemplo, el supresor autoinmune de mutantes rps4-rld1-4 (srfr1-4) ​​mostró grandes aumentos en los conjugados basales SUMO1/2-, al igual que las plantas de tipo salvaje desafiado con Pseudomonas syringae pv. tomate (Pst)DC3000, en comparación con las plantas WT sin tratar.

En general, se descubrió que las plantas WT mutantes srfr1-4 y las infectadas con PstDC3000 comparten el 57,9 por ciento de sus sustratos SUMO comunes, que consisten en objetivos de amplio alcance. Las plantas autoinmunes srfr1-4 han aumentado los niveles de SA y la regulación al alza constitutiva de los genes PR1/PR2; también se observa retraso en el crecimiento [105]. Significativamente, la pérdida de EDS1 restaura el SUMOylome en srfr1-4 a niveles de tipo salvaje (Col-0) y elimina el retraso del crecimiento y la autoinmunidad [106]. Por lo tanto, SUMOylation y deSUMOylation son cruciales para la regulación de la defensa.

Diferentes parálogos SUMO tienen diferentes funciones, y existen diferentes parálogos en diferentes especies [107]. En Arabidopsis, SUMO1/2 inhibe las respuestas de defensa mediadas por SA en ausencia de un patógeno [108]. Por el contrario, SUMO3 promueve las respuestas de defensa de las plantas aguas abajo de SA [109]. SUMO también forma interacciones no covalentes con proteínas a través de motivos de interacción SUMO (SIM) que facilitan las interacciones entre las proteínas conjugadas con SUMO y los socios de proteínas que presentan sitios SIM para la formación de complejos de proteínas [107,110].

La alteración del patrón específico de los PTM cambia las respuestas de defensa de la planta y su capacidad para resistir enfermedades. Por ejemplo, el doble mutante ots1ots2 de la proteasa SUMO OVERLY TOLERANT TO SALT1 y -2 (OTS1/2) acumula mayores niveles de conjugados SUMO, niveles más altos de SA y mayor resistencia a PstDC3000, en comparación con las plantas WT. Se encontró que las proteasas SUMO OTS1 y OTS2 limitan la biosíntesis de SA al suprimir la expresión de ISOCHORISMATE SYNTHASE1 (ICS1), y como mecanismo de retroalimentación, SA promueve la degradación de OTS1 y OTS2 para modular la señalización de SA [101]. De manera similar, los mutantes de la proteasa SUMO temprano en los días cortos 4 (esd4) tienen una alta acumulación de SA [111]. Estos muestran que la maquinaria enzimática SUMO regula la defensa mediada por SA para ajustar la respuesta adecuadamente [101,109].

Otro aspecto de la maquinaria SUMO para afectar la defensa es representado por el mutante de pérdida de función de Arabidopsis ligasa E3 SUMO sap y miz 1 (siz1). Las plantas siz1 tienen conjugados SUMO reducidos, enanismo, un fenotipo autoinmune, caracterizado por una mayor acumulación de SA, una mayor expresión de EDS1, PAD4 y genes RELACIONADOS CON LA PATOGENIA (PR), y una mayor resistencia a la bacteria PstDC3000, en comparación con las plantas WT [112]. ]. El fenotipo autoinmune siz1 depende del receptor inmune TNL SNC1 [113,114]. TOPLESS-RELATED 1 (TPR1), una proteína que interactúa con SNC1-, interactúa físicamente y es SUMOilada por SIZ1 [115]. La mutación de K282 y K721, los sitios críticos de unión de SUMOylation de TOPLESS-RELATED 1 (TPR1) sugirió que TPR1 SUMOylation reprime la inmunidad a través de la represión de su actividad co-represora transcripcional.

Esto conduce a la expresión de reguladores negativos de la inmunidad DEFENCE NO DEATH 1 (DND1) y DND2. Además, SNC1 está SUMOilado, lo que quizás actúe más para reprimir la inmunidad en ausencia de patógenos [113,115]. La transcripción de SNC1 está controlada por SUMOylation, así como SNC1 SUMOylated a nivel de proteína [113], y el nivel de proteína SNC1 está controlado por degradación mediada por ubiquitina, como se mencionó en la sección anterior [116]. Es importante controlar la actividad de SNC1 para evitar respuestas inmunitarias excesivas, que serían perjudiciales para el crecimiento de las plantas y causarían daños [117].

La interrupción de la maquinaria enzimática de PTM subraya el hecho de que los cambios en la unión/remoción de PTM tienen efectos profundos en la fisiología de la planta, incluida la regulación de la defensa.

Curiosamente, el aumento de SUMOylation en mutantes ots1ots2 o la reducción de SUMOylation siz1 en mutantes han aumentado los niveles de SA, lo que indica la complejidad de la regulación de PTM, y que la regulación de SUMOylation es clave para modular el nivel correcto de inmunidad. Este estricto control de SUMO se destaca aún más, ya que la sobreexpresión de los tres genes SUMO de Arabidopsis (SUM) resultó en la activación de respuestas de defensa dependientes de SA, al igual que el mutante de eliminación sum1sum2 [109].

Además de la señalización SA, SUMO tiene un papel en la modulación de la señalización JA. SUMO conjugado con JAZ inhibe el receptor JA CORONATINE INSENSITIVE1 (COI1) a través del sitio COI1 SIM [118]. La acción o degradación de la proteasa SUMO OTS1/2 determina si la respuesta JA se activa o inhibe, según el tipo de patógeno [118]. Significativamente, SUMOylation interactúa con otros PTM, incluida la fosforilación y la ubiquitinación, que se describirán en la sección siguiente.

3.4. Interacción entre PTM

La mayoría de los aspectos de la inmunidad están regulados por múltiples PTM, que a menudo interactúan. Los PTM experimentan diafonía y tienen una dependencia mutua. Un ejemplo destacado es la señalización de FLS2, cuya regulación requiere fosforilación, SUMOilación y ubiquitinación [48,86,119]. En condiciones no infectadas, FLS2 se asocia con BIK1 [21,120]. Cuando se detecta flg22, FLS2 recluta la proteína quinasa del correceptor BAK1, lo que permite que BIK1 y BAK1 experimenten una fosforilación recíproca [55,121,122].

Además, en la percepción de flagelina, FLS2 se SUMOila en lisina 1120, lo que desencadena la liberación de BIK1, que es esencial para la respuesta de defensa mediada por FLS2-. DeSUMOylating isopeptidase 3A (Desi3A) deSUMOylates FLS2 para regular negativamente la señalización inmunitaria en ausencia de flagelina. Sin embargo, cuando se detecta flagelina, Desi3A se degrada para mejorar los niveles de SUMOylated FLS2 y aumentar la señalización inmunitaria (Figura 1) [48]. Además, se encontró que la monoubiquitinación de BIK1 contribuye a la disociación de BIK1 inducida por ligando del receptor FLS2 [123]. Como se mencionó anteriormente, PUB12/13 desencadena la degradación de FLS2 a través del sistema ubiquitina-proteasoma.

La modificación postraduccional en las enzimas de la maquinaria PTM también ocurre en la defensa; por ejemplo, la PROTEÍNA QUINASA 28 DEPENDIENTE DE CALCIO (CPK28) fosforilasa y activa las ligasas Ub E3 PUB25 y 26 para mejorar la ubiquitinación y la degradación proteasomal de BIK1 no activado (Figura 1) [89,124]. Las interacciones entre las ligasas Ub E3 y los dominios quinasa parecen ser comunes en la regulación de las RLK [125].

NO EXPRESO O DE GENES RELACIONADOS CON LA PATOGENIA (NPR1) es un factor de transcripción clave en la defensa ya que regula la expresión de los genes PR que contribuyen al establecimiento de la resistencia sistémica adquirida (SAR) [126]. Nuevamente, la fosforilación, la SUMOilación y la ubiquitinación son esenciales para su función de respuestas de defensa apropiadas (Figura 1). SUMOylation interactúa con la fosforilación para controlar las funciones de NPR1: la fosforilación de Ser55 y Ser59 evita la unión de NPR1 SUMO. El estado de SUMOylation de NPR1 altera su interacción con los socios. NPR1 no SUMOilado interactúa con WRKY70 para reprimir la expresión de PR1. En el desafío del patógeno, la acumulación de SA promueve la desfosforilación de Ser55/Ser59, lo que permite que NPR1 se SUMOile, lo que provoca que NPR1 interactúe con TGA3 para promover la expresión del gen PR1 [127,128].

Además, se requiere la interacción de NPR1 con SUMO3 para la fosforilación de Ser11/Ser15, lo que provoca la ubiquitinación y degradación por parte del complejo NPR3-CULLIN3 E3 para la inducción inmunitaria específica y transitoria [129]. La degradación de NPR1 es importante para toda la gama de activación de genes de defensa y para la activación de ETI y muerte celular programada en el sitio de infección, donde los niveles de SA son altos [126], mientras que en las células vecinas los niveles de SA son intermedios para permitir la función de NPR1 [130] . Los genes PR inducidos por SA codifican varios metabolitos antimicrobianos, incluidas endoglucanasas, quitinasas, defensinas, etc. [131]. Este ejemplo citado muestra que los sitios de fosforilación tienen funciones opuestas y que los patrones de PTM específicos dan resultados en términos de respuesta de defensa. El proceso secuencial de múltiples PTM proporciona un control más preciso para permitir la degradación mediada por ubiquitina en el momento adecuado cuando no se detectan patógenos [132]. NPR1 tiene un papel funcionalmente conservado en los cultivos; por lo tanto, potencialmente SUMO está involucrado en la regulación de ortólogos similares a Arabidopsis, pero esto necesita investigación [126,133].

Existe una diafonía significativa entre la SUMOylación y la ubiquitinación, particularmente como parte de la retroalimentación negativa para inducir la degradación de la proteína; por ejemplo, SIZ1 puede SUMOylate CONSTITUTIVE PHOTOMORFOGENIC 1 (COP1), que mejora la actividad de transubiquitinación de COP1, una ligasa E3 de múltiples subunidades que regula positivamente la resistencia a enfermedades contra virus [134,135]. Después de SUMOylation, COP1 ubiquitina SIZ1 provocando su degradación; por lo tanto, la ubiquitinación regula la SUMOilación celular al regular SIZ1, así como SIZ1 que promueve la actividad de ubiquitinación de COP1 [136].

Varios objetivos SUMO se superponen con los objetivos de fosforilación de MAPK en la regulación de la inmunidad [137]. Varios WRKY fueron identificados como objetivos de SUMO1 por proteómica, así como por fosforilación de MAPK [104]. Para respaldar esto, se demostró que, en respuesta a la infección por Botrytis cinerea y al tratamiento con el elicitor flg22, WRKY33 está SUMOilado, lo que permite la fosforilación de WRKY33 por MPK3/6 para la activación de la actividad del factor de transcripción que conduce a una mayor biosíntesis de camalexina (Figura 1) [138].

Está claro que los PTM son vitales para las respuestas de defensa de las plantas y la resistencia a enfermedades en Arabidopsis, y luego de este hallazgo, se ilustra que los PTM son igualmente importantes en las especies de cultivos y representan un excelente recurso para ser explotado en la mejora de cultivos. Los mecanismos generales de inmunidad son similares en Arabidopsis y especies de cultivo junto con clases de proteínas; sin embargo, los mecanismos precisos, las interacciones, los complejos proteicos y los PTM son específicos de la especie y la variedad [17]. Un estudio encontró que 1619 fosfositos en Arabidopsis se alinearon exactamente con fosfositos de cualquier otra especie vegetal, lo que indica algunas similitudes en la fosforilación de proteínas en Arabidopsis y cultivos [139]. En varios casos, los ortólogos de proteínas de defensa muestran un papel conservado entre diferentes especies de plantas; por ejemplo, PRR, cascadas MAPK, WRKY TF, NPR1, ligasas de ubiquitina y degradación proteasómica mediada por ubiquitinación modulan la acumulación de proteínas de defensa [80,81,126,133,140–144].

En el arroz, las diferencias en la resistencia a enfermedades pueden depender del patrón de PTM, como sugirió el hallazgo de que el número y la distribución de los motivos de fosforilación difieren entre los alelos resistentes y susceptibles de Pi54 [145,146]. Los hallazgos de diafonía de PTM en cultivos demuestran que la señalización mediada por PRR en el arroz depende de patrones de fosforilación específicos y del control mediado por ubiquitina. El residuo XA21 Thr705 es esencial para la autofosforilación de arroz PRR XA21. Thr705 también es esencial para la interacción entre XA21 y XA21 de arroz que se une a la proteína 3 (XB3), una ligasa de ubiquitina que se requiere para la resistencia total mediada por XA21- [147,148]. Esto se demostró mediante el uso de variantes mutantes fosfo-nulas, XA21T705A y XA21T705E, que son incapaces de transducir la respuesta inmunitaria mediada por XA21-o interactuar con las proteínas de unión XA21 [147]. Después de la percepción de PAMP por XA21 (que reconoce los péptidos sulfonados derivados de Xanthomonas oryzae pv oryzae, [149]), XA21 transfosforila específicamente a XB3, que se ha demostrado que se autoubiquitina in vitro, lo que puede conducir a la activación de las cascadas de MAPK [148,150] . El papel de XB3 puede conservarse entre especies en la regulación de la muerte celular [151].

Además de la fosforilación y la ubiquitinación, la regulación claramente específica de la SUMOilación es esencial en la inmunidad de los cultivos, ya que los patógenos afectan la patogenicidad mediante la deSUMOilación [140]. La siguiente sección describirá con más detalle cómo los patógenos secuestran los sistemas PTM para su beneficio, es decir, para evadir las defensas del huésped y obtener nutrientes para promover la proliferación de patógenos.

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