Ολιγογαλακτουρονίδια: μοριακά μοτίβα που σχετίζονται με φυτικές βλάβες και ρυθμιστές ανάπτυξης και ανάπτυξης

• Dipartimento di Biologia e Biotecnologie “Charles Darwin”, Sapienza Università di Roma, Ρώμη, Ιταλία

Τα ολιγογαλακτουρονίδια (OGs) είναι ολιγομερή άλφα-1,4-συνδεδεμένων υπολειμμάτων γαλακτουρονοσυλίου που απελευθερώνονται από τα κυτταρικά τοιχώματα των φυτών κατά τη μερική αποικοδόμηση της ομογαλακτουρονάνης. Τα OG είναι σε θέση να προκαλέσουν αμυντικές αποκρίσεις, συμπεριλαμβανομένης της συσσώρευσης ενεργών ειδών οξυγόνου και πρωτεϊνών που σχετίζονται με την παθογένεση, και προστατεύουν τα φυτά από λοιμώξεις από παθογόνους παράγοντες. Πρόσφατες μελέτες έδειξαν ότι τα OGs γίνονται αντιληπτά από κινάσες που σχετίζονται με το τοίχωμα και μοιράζονται συστατικά σηματοδότησης με μοριακά μοτίβα που σχετίζονται με μικρόβια. Για το λόγο αυτό τα OG θεωρούνται πλέον αληθινά μοριακά μοτίβα που σχετίζονται με βλάβη που ενεργοποιούν την έμφυτη ανοσία του φυτού και μπορεί επίσης να εμπλέκονται στην ενεργοποίηση των αποκρίσεων σε μηχανικούς τραυματισμούς. Επιπλέον, τα OGs φαίνεται να ρυθμίζουν τις αναπτυξιακές διαδικασίες, πιθανότατα μέσω της ικανότητάς τους να ανταγωνίζονται τις αποκρίσεις αυξίνης.

Εισαγωγή

Η πρώτη απόδειξη ότι τα θραύσματα πηκτίνης επάγουν αμυντικές αποκρίσεις παρασχέθηκαν πριν από περισσότερα από 30 χρόνια με τον προσδιορισμό της συσσώρευσης φυτοαλεξίνης σε κοτυληδόνες σόγιας (Hahn et al., 1981). Αυτά τα θραύσματα, που ονομάζονται ενδογενείς διεγέρτες, αναγνωρίστηκαν αργότερα ως ολιγομερή άλφα-1,4-συνδεδεμένων υπολειμμάτων γαλακτουρονοσυλίων (ολιγογαλακτουρονίδια, OGs) που μπορούν να ληφθούν με μερική υδρόλυση πολυγαλακτουρονικού οξέος (Nothnagel et al., 1983). Εικάστηκε ότι η αποικοδόμηση ενός κύριου συστατικού της πηκτίνης, δηλαδή της ομογαλακτουρονάνης (HGA), που συμβαίνει κατά τη διάρκεια μικροβιακών λοιμώξεων, μπορεί να προκαλέσει τη συσσώρευση OGs που πυροδοτούν αμυντικές αποκρίσεις. Εκείνη την εποχή, αποδείχθηκε ότι η πέψη του HGA από μια μυκητίαση ή μια πολυγαλακτουρονάση που προέρχεται από τομάτα (PG) απελευθερώνει έναν διεγέρτη ενός επαγόμενου από το τραύμα αναστολέα πρωτεϊνάσης (PI). υποδηλώνοντας ένα ρόλο των OGs στην απόκριση του τραύματος (Bishop et al., 1981). Λίγα χρόνια αργότερα αναφέρθηκε ότι τα OG ανταγωνίζονται τη δραστηριότητα της αυξίνης κατά την επιμήκυνση του στελέχους μπιζελιού, οραματιζόμενοι έναν πιθανό ρόλο αυτών των ολιγοσακχαριτών ως ρυθμιστές της ανάπτυξης και της ανάπτυξης (Branca et al., 1988). Τα επόμενα χρόνια, έγιναν προσπάθειες για να αποσαφηνιστεί ο μηχανισμός δράσης των OG και να διερευνηθεί η ικανότητά τους να ενεργοποιούν την άμυνα των φυτών καθώς και να επηρεάζουν, ως τοπικοί ανταγωνιστές της αυξίνης, την ανάπτυξη και ανάπτυξη των φυτών. Ωστόσο, μόλις πρόσφατα έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην κατανόηση της βάσης της αντίληψης και της μεταγωγής σήματος OG. Εδώ εξετάζουμε τις τρέχουσες γνώσεις μας σχετικά με τις επιδράσεις και τον τρόπο δράσης των OG στην άμυνα και την ανάπτυξη των φυτών. Λίγα χρόνια αργότερα αναφέρθηκε ότι τα OG ανταγωνίζονται τη δραστηριότητα της αυξίνης κατά την επιμήκυνση του στελέχους μπιζελιού, οραματιζόμενοι έναν πιθανό ρόλο αυτών των ολιγοσακχαριτών ως ρυθμιστές της ανάπτυξης και της ανάπτυξης (Branca et al., 1988). Τα επόμενα χρόνια, έγιναν προσπάθειες για να αποσαφηνιστεί ο μηχανισμός δράσης των OG και να διερευνηθεί η ικανότητά τους να ενεργοποιούν την άμυνα των φυτών καθώς και να επηρεάζουν, ως τοπικοί ανταγωνιστές της αυξίνης, την ανάπτυξη και ανάπτυξη των φυτών. Ωστόσο, μόλις πρόσφατα έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην κατανόηση της βάσης της αντίληψης και της μεταγωγής σήματος OG. Εδώ εξετάζουμε τις τρέχουσες γνώσεις μας σχετικά με τις επιδράσεις και τον τρόπο δράσης των OG στην άμυνα και την ανάπτυξη των φυτών. Λίγα χρόνια αργότερα αναφέρθηκε ότι τα OG ανταγωνίζονται τη δραστηριότητα της αυξίνης κατά την επιμήκυνση του στελέχους μπιζελιού, οραματιζόμενοι έναν πιθανό ρόλο αυτών των ολιγοσακχαριτών ως ρυθμιστές της ανάπτυξης και της ανάπτυξης (Branca et al., 1988). Τα επόμενα χρόνια, έγιναν προσπάθειες για να αποσαφηνιστεί ο μηχανισμός δράσης των OG και να διερευνηθεί η ικανότητά τους να ενεργοποιούν την άμυνα των φυτών καθώς και να επηρεάζουν, ως τοπικοί ανταγωνιστές της αυξίνης, την ανάπτυξη και ανάπτυξη των φυτών. Ωστόσο, μόλις πρόσφατα έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην κατανόηση της βάσης της αντίληψης και της μεταγωγής σήματος OG. Εδώ εξετάζουμε τις τρέχουσες γνώσεις μας σχετικά με τις επιδράσεις και τον τρόπο δράσης των OG στην άμυνα και την ανάπτυξη των φυτών. Καταβλήθηκαν προσπάθειες για να αποσαφηνιστεί ο μηχανισμός δράσης των OG και να διερευνηθεί η ικανότητά τους να ενεργοποιούν την άμυνα των φυτών καθώς και να επηρεάζουν, ως τοπικούς ανταγωνιστές της αυξίνης, την ανάπτυξη και ανάπτυξη των φυτών. Ωστόσο, μόλις πρόσφατα έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην κατανόηση της βάσης της αντίληψης και της μεταγωγής σήματος OG. Εδώ εξετάζουμε τις τρέχουσες γνώσεις μας σχετικά με τις επιδράσεις και τον τρόπο δράσης των OG στην άμυνα και την ανάπτυξη των φυτών. Καταβλήθηκαν προσπάθειες για να αποσαφηνιστεί ο μηχανισμός δράσης των OG και να διερευνηθεί η ικανότητά τους να ενεργοποιούν την άμυνα των φυτών καθώς και να επηρεάζουν, ως τοπικούς ανταγωνιστές της αυξίνης, την ανάπτυξη και ανάπτυξη των φυτών. Ωστόσο, μόλις πρόσφατα έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην κατανόηση της βάσης της αντίληψης και της μεταγωγής σήματος OG. Εδώ εξετάζουμε τις τρέχουσες γνώσεις μας σχετικά με τις επιδράσεις και τον τρόπο δράσης των OG στην άμυνα και την ανάπτυξη των φυτών.

Οι OG είναι Εκκινητές Αμυντικών Αποκρίσεων

Τα παθογόνα πρέπει να αναγνωρίζονται έγκαιρα από τον ξενιστή προκειμένου να ενεργοποιηθούν οι κατάλληλες άμυνες που περιορίζουν την εισβολή και τον αποικισμό. Ένα κρίσιμο χαρακτηριστικό του έμφυτου ανοσοποιητικού συστήματος τόσο στα φυτά όσο και στα ζώα είναι η ικανότητα να αντιλαμβάνεται έναν πιθανό κίνδυνο μέσω της αναγνώρισης των μορίων που ειδοποιούν το κύτταρο. Μόρια που σχετίζονται με παθογόνα μικρόβια (μοριακά μοτίβα που σχετίζονται με μικρόβια, MAMPs), όπως η χιτίνη από μύκητες, η πεπτιδογλυκάνη και η μαστιγίνη από τα βακτήρια και οι γλυκάνες από το κυτταρικό τοίχωμα των ωομυκήτων, ανιχνεύονται ειδικά από τα κύτταρα-ξενιστές και πυροδοτούν μια ανοσολογική απόκριση (Bittel και Robatzek, 2007· Boller και Felix, 2009). Η ανοσία που προκαλείται από MAMP είναι τώρα ένα γόνιμο πεδίο έρευνας στη φυτική βιολογία.

Η ανταπόκριση σε ενδογενή σήματα που προέρχονται από στρεσσαρισμένα ή τραυματισμένα κύτταρα, η λεγόμενη «ρύθμιση από μέσα», αναδεικνύεται τώρα ως σημαντική λειτουργία του ανοσοποιητικού συστήματος. Ενδογενή μόρια με διεγερτική δραστηριότητα απελευθερώνονται από κυτταρικά συστατικά κατά τη διάρκεια προσβολής παθογόνου ή αβιοτικών στρες και έχουν υποδειχθεί ως μοριακά μοτίβα που σχετίζονται με βλάβη (DAMPs) και στα δύο φυτά (Boller and Felix, 2009; Galletti et al., 2009; Tor et al. ., 2009· De Lorenzo et al., 2011· Ranf et al., 2011) και τα ζώα, όπου έχουν επίσης ονομαστεί alarmins (Bianchi, 2007· Lotze et al., 2007). Τα OG είναι πιθανώς τα καλύτερα χαρακτηρισμένα φυτικά DAMP και προκαλούν σε πολλά είδη φυτών ένα ευρύ φάσμα αμυντικών αποκρίσεων, συμπεριλαμβανομένης της συσσώρευσης φυτοαλεξινών (Davis et al., 1986), γλυκανάσης και χιτινάσης (Davis and Hahlbrock, 1987; Broekaert and Pneumas, 198 ), εναπόθεση καλλόζης, παραγωγή δραστικών ειδών οξυγόνου (ROS; Bellincampi et al., 2000; Galletti et al., 2008) και νιτρικού οξειδίου (Rasul et al., 2012; Εικόνα 1). Τα OGs πιστεύεται ότι απελευθερώνονται από τα τοιχώματα των φυτών κατά τη μερική αποικοδόμηση του HGA από μικροβιακά PGs κατά τη διάρκεια μολύνσεων (Cervone et al., 1989) ή από τη δράση ενδογενών PGs που προκαλούνται από μηχανική βλάβη (Orozco-Cardenas and Ryan, 1999). Η σηματοδοτική δραστηριότητα των OGs είναι μια σαφής ένδειξη ότι τα φυτά έχουν εξελίξει μηχανισμούς για την παρακολούθηση της αποικοδόμησης του HGA για την έγκαιρη ανίχνευση του τραυματισμού των ιστών. Η πηκτίνη είναι ένα από τα πιο προσβάσιμα συστατικά του κυττάρου και, ως εκ τούτου, είναι από τις πρώτες δομές που μεταβάλλονται κατά τη διάρκεια μιας απόπειρας εισβολής παθογόνου ή όταν το τοίχωμα υφίσταται ρήξη πίεσης (De Lorenzo και Ferrari, 2002). Δεδομένου ότι η ακεραιότητα των φυτικών κυτταρικών τοιχωμάτων μπορεί να παρακολουθείται αποτελεσματικά με την παρακολούθηση της κατάστασης της πηκτίνης, έχουμε προτείνει την ύπαρξη ενός συστήματος, που ονομάζεται «σύστημα παρακολούθησης ακεραιότητας πηκτίνης» ή PIMS, αφιερωμένο σε αυτή τη λειτουργία (De Lorenzo et al., 2011). Τα OG πιθανότατα βρίσκονται σε μια βασική θέση στο PIMS, που τους επιτρέπει να λειτουργούν ως δείκτες ακεραιότητας κυτταρικού τοιχώματος, τόσο σε αντίξοες συνθήκες όσο και κατά τη διάρκεια της φυσιολογικής ανάπτυξης (βλ. παρακάτω). Επιπλέον, επειδή τα ένζυμα αποικοδόμησης HGA όπως τα PGs είναι μεταξύ των πρώτων ενζύμων που εκκρίνονται από μικρόβια κατά τον αποικισμό του ξενιστή, το PIMS περιλαμβάνει επίσης τους αναστολείς μυκητιακών και εντόμων PG (πρωτεΐνες αναστολής της PG ή PGIP), που προστατεύουν το κυτταρικό τοίχωμα περιορίζοντας την αποικοδόμηση της HGA (De Lorenzo et al., 2001; De Lorenzo and Ferrari, 2002; Di Matteo et al., 2006). Αναστέλλοντας τη δράση των PG που εκκρίνονται από παθογόνα,

ΣΧΗΜΑ 1. Ένα μοντέλο για την ενεργοποίηση αμυντικών αποκρίσεων Arabidopsis thaliana που προκαλούνται από ολιγογαλακτουρονίδια (OGs).Τα OG απελευθερώνονται από το κυτταρικό τοίχωμα μετά την αποδόμηση της ομογαλακτουρονάνης με μηχανική βλάβη ή από τη δράση υδρολυτικών ενζύμων όπως τα PGs, που εκκρίνονται από παθογόνα. Τα PGIP στον αποπλάστη ρυθμίζουν τη δραστηριότητα του PG, ευνοώντας τη συσσώρευση ενεργών OG που προκαλούν διεγέρτη, τα οποία λειτουργούν ως DAMP. Τα OG γίνονται αντιληπτά από το WAK1 και πυροδοτούν αμυντικές αποκρίσεις, όπως η συσσώρευση ROS μέσω της ενεργοποίησης της οξειδάσης NADPH AtRbohD, της παραγωγής μονοξειδίου του αζώτου, της εναπόθεσης καλόζης και της ενεργοποίησης της έκφρασης του αμυντικού γονιδίου μέσω της MAPK. Η εισβολή παθογόνου ή η μηχανική βλάβη προκαλούν επίσης αύξηση των επιπέδων JA, SA και αιθυλενίου, με τη μεσολάβηση των καταρρακτών MAPK, πυροδοτώντας αμυντικές αποκρίσεις ανεξάρτητα από τα OG. Οι αμυντικές αποκρίσεις με τη μεσολάβηση της DAMP και της ορμόνης οδηγούν, αντίστοιχα, σε επαγόμενη και βασική αντίσταση σε νεκροτροφικά παθογόνα, όπως ο Botrytis cinerea. Οι διακεκομμένες γραμμές υποδεικνύουν υποθετικούς καταρράκτες. Οι διακεκομμένες γκρίζες γραμμές υποδηλώνουν υπεραπλούστευση των πολύπλοκων και ακόμη μερικώς αχαρακτηριστικών ρόλων των MAPK στη ρύθμιση της σύνθεσης/απόκρισης ορμονών και ROS.

Μια δομική απαίτηση για τη βιολογική δραστηριότητα των OGs είναι ένας βαθμός πολυμερισμού (DP) μεταξύ 10 και 15 (Côté και Hahn, 1994). Αυτό το μέγεθος είναι βέλτιστο για το σχηματισμό Ca ² -διαμεσολαβημένες διαμοριακές διασταυρώσεις που καταλήγουν σε δομές που ονομάζονται «κουτιά αυγών» (Braccini and Perez, 2001; Cabrera et al., 2008), που πιστεύεται ότι είναι απαραίτητες για τη δραστηριότητα OG. Η τροποποίηση του αναγωγικού άκρου των OGs δεν επηρεάζει τον σχηματισμό των κουτιών αυγών (Cabrera et al., 2008) και δεν επηρεάζει τη δραστηριότητα διεγέρτη (μη δημοσιευμένα αποτελέσματα του εργαστηρίου μας). OGs με DP 2–6, που υποδεικνύουμε ως σύντομες OG, έχουν αναφερθεί σε μερικές περιπτώσεις ότι παρουσιάζουν ενεργότητα διεγέρτη, όπως, για παράδειγμα, κατά την επαγόμενη έκφραση των PIs στην ντομάτα (Farmer and Ryan, 1990· Moloshok et al. ., 1992); Ωστόσο, οι σύντομες OGs φαίνεται να καταστέλλουν τις αμυντικές αποκρίσεις στο σιτάρι (Moerschbacher et al., 1999). Το HGA συντίθεται σε εστεροποιημένη μορφή στη συσκευή Golgi και, στη συνέχεια, εκκρίνεται στο κυτταρικό τοίχωμα όπου υφίσταται μερική αποεστεροποίηση από τη δράση των μεθυλεστεράσης της πηκτίνης (PMEs; Pelloux et al., 2007). Ο βαθμός εστεροποίησης του HGA ποικίλλει σε διαφορετικούς ιστούς ανάλογα με το συγκεκριμένο αναπτυξιακό στάδιο (Wolf et al., 2009). Συνεπώς, τα OG με διαφορετικούς βαθμούς εστεροποίησης αναμένεται να απελευθερωθούν υπό διαφορετικές συνθήκες. Στις περισσότερες μελέτες, τα OG έχουν παρασκευαστεί από πολυγαλακτουρονικό οξύ που έχει υποστεί πέψη με εμπορικά PG (Nothnagel et al., 1983; Galletti et al., 2008; Cabrera et al., 2010) και δεν είναι ακόμη σαφές πώς η εστεροποίηση επηρεάζει τη βιολογική τους δραστηριότητα . Τα ακετυλιωμένα OG, αλλά όχι τα αποεστεροποιημένα OG, μειώνουν τον σχηματισμό haustoria της Blumeria graminis που αναπτύσσεται στα φύλλα σιταριού, υποδηλώνοντας ότι η εστεροποίηση είναι απαραίτητη για ορισμένες συγκεκριμένες αποκρίσεις (Pelloux et al., 2007; Randoux et al., 2010). Η παρουσία OGs με χαμηλό βαθμό μεθυλίωσης σε καρπούς φράουλας που υπερεκφράζουν PME συσχετίστηκε με την έκφραση αμυντικών αποκρίσεων και με ταυτόχρονη μερική αντίσταση έναντι του Botrytis cinerea (Osorio et al., 2008). Από την άλλη πλευρά, τα φυτά Arabidopsis thaliana που υπερεκφράζουν έναν αναστολέα της PME ​​ή μεταλλάσσονται σε μια ενδογενή PME έχουν υψηλό βαθμό μεθυλεστεροποίησης της πηκτίνης (Lionetti et al., 2007, 2010; Raiola et al., 2010, 2011). Αυτά τα φυτά δεν παρουσιάζουν συστατική έκφραση αμυντικών αποκρίσεων αλλά, παρ’ όλα αυτά, παρουσιάζουν ενισχυμένη αντοχή στο Botrytis cinerea και στο Pectobacterium carotovorum. Μια μειωμένη ανάπτυξη αυτών των παθογόνων σε εξαιρετικά μεθυλιωμένη πηκτίνη ως πηγή άνθρακα μπορεί εν μέρει να εξηγήσει τον ανθεκτικό φαινότυπο αυτών των φυτών (Lionetti et al., 2012). Η παρουσία OGs με χαμηλό βαθμό μεθυλίωσης σε καρπούς φράουλας που υπερεκφράζουν PME συσχετίστηκε με την έκφραση αμυντικών αποκρίσεων και με ταυτόχρονη μερική αντίσταση έναντι του Botrytis cinerea (Osorio et al., 2008). Από την άλλη πλευρά, τα φυτά Arabidopsis thaliana που υπερεκφράζουν έναν αναστολέα της PME ​​ή μεταλλάσσονται σε μια ενδογενή PME έχουν υψηλό βαθμό μεθυλεστεροποίησης της πηκτίνης (Lionetti et al., 2007, 2010; Raiola et al., 2010, 2011). Αυτά τα φυτά δεν παρουσιάζουν συστατική έκφραση αμυντικών αποκρίσεων αλλά, παρ’ όλα αυτά, παρουσιάζουν ενισχυμένη αντοχή στο Botrytis cinerea και στο Pectobacterium carotovorum. Μια μειωμένη ανάπτυξη αυτών των παθογόνων σε εξαιρετικά μεθυλιωμένη πηκτίνη ως πηγή άνθρακα μπορεί εν μέρει να εξηγήσει τον ανθεκτικό φαινότυπο αυτών των φυτών (Lionetti et al., 2012). Η παρουσία OGs με χαμηλό βαθμό μεθυλίωσης σε καρπούς φράουλας που υπερεκφράζουν PME συσχετίστηκε με την έκφραση αμυντικών αποκρίσεων και με ταυτόχρονη μερική αντίσταση έναντι του Botrytis cinerea (Osorio et al., 2008). Από την άλλη πλευρά, τα φυτά Arabidopsis thaliana που υπερεκφράζουν έναν αναστολέα της PME ​​ή μεταλλάσσονται σε μια ενδογενή PME έχουν υψηλό βαθμό μεθυλεστεροποίησης της πηκτίνης (Lionetti et al., 2007, 2010; Raiola et al., 2010, 2011). Αυτά τα φυτά δεν παρουσιάζουν συστατική έκφραση αμυντικών αποκρίσεων αλλά, παρ’ όλα αυτά, παρουσιάζουν ενισχυμένη αντοχή στο Botrytis cinerea και στο Pectobacterium carotovorum. Μια μειωμένη ανάπτυξη αυτών των παθογόνων σε εξαιρετικά μεθυλιωμένη πηκτίνη ως πηγή άνθρακα μπορεί εν μέρει να εξηγήσει τον ανθεκτικό φαινότυπο αυτών των φυτών (Lionetti et al., 2012).

Ανατομή Σηματοδότησης ΟΓ

Μέχρι πρόσφατα, οι επιδράσεις των OGs μελετούνταν σε φυτά που δεν ήταν μοντέλα, όπως η σόγια (Hahn et al., 1981), και επομένως ήταν δύσκολο να εντοπιστούν τα μοριακά συστατικά που ευθύνονται για την αντίληψη και τη μεταγωγή τους. Ένας επιπλέον περιορισμός αυτών των μελετών ήταν ότι η παραγωγή και η συσσώρευση OG είναι δύσκολο να ανιχνευθεί in vivo, εκτός εάν υπάρχει μαζική υποβάθμιση του ιστού που γενικά συμβαίνει μόνο κατά τα τελευταία στάδια των φυτικών μολύνσεων (An et al., 2005). Η υιοθέτηση του Arabidopsis ως μοντέλου φυτού έχει προσφέρει ένα χρήσιμο εργαλείο για να προωθήσουμε τις γνώσεις μας σχετικά με τη βιολογία του OG. Συγκεκριμένα, οι αποκρίσεις που ενεργοποιούνται από τα OG στο Arabidopsis επικαλύπτουν σε μεγάλο βαθμό αυτές που ενεργοποιούνται από τα MAMP. Για παράδειγμα, το προφίλ μεταγραφής δενδρυλλίων που υποβλήθηκαν σε επεξεργασία είτε με OGs είτε με flg22, δηλαδή ένα πεπτίδιο που περιλαμβάνει τον ενεργό επίτοπο της μαστιγίνης (Gomez-Gomez et al., 1999), υποδηλώνει εκτεταμένη επικάλυψη ανταποκρίσεων, τουλάχιστον στους πρώιμους χρόνους μετά τη θεραπεία (30–60 λεπτά, Denoux et al., 2008). Στο Arabidopsis, και οι δύο διεγέρτες ενεργοποιούν ένα σύνολο αποκρίσεων που είναι ανεξάρτητες από τις οδούς σηματοδότησης που περιλαμβάνουν αιθυλένιο, σαλικυλικό οξύ (SA) και γιασμονικό (JA; Zipfel et al., 2004; Ferrari et al., 2007) και επάγουν τη φωσφορυλίωση του δύο ενεργοποιημένες από μιτογόνο πρωτεϊνικές κινάσες (MAPKs), συγκεκριμένα AtMPK3 και AtMPK6 (Denoux et al., 2008; Galletti et al., 2011). Το AtMPK6 φαίνεται απαραίτητο για την πρώιμη έκφραση των αμυντικών γονιδίων και για την επαγόμενη αντίσταση έναντι του Botrytis cinerea που προκαλείται από αυτούς τους διεγέρτες (Galletti et al., 2011). Επιπλέον, τόσο τα OGs όσο και τα flg22 πυροδοτούν μια ισχυρή οξειδωτική έκρηξη που προκαλείται από τη δινουκλεοτιδική φωσφορική νικοτιναμίδη αδενίνης (NADPH) οξειδάση AtRbohD, η οποία είναι τουλάχιστον εν μέρει υπεύθυνη για την επακόλουθη παραγωγή κάλοζης (Zhang et al., 2007; Galletti et al., 2008) από τη συνθάση καλλόζης POWDERY MILDEW RESISTANT 4 (Nishimura et al., 2003; Εικόνα 1). Ωστόσο, οι OG είναι σχετικά αδύναμοι διεγέρτες σε σύγκριση με το flg22, πιθανώς ως συνέπεια του μειωμένου χρόνου ημιζωής τους (Denoux et al., 2008). Για παράδειγμα, το flg22 και άλλα MAMP, σε αντίθεση με τα OG, επάγουν την έκφραση αμυντικών γονιδίων που εξαρτώνται από τη σηματοδότηση SA, JA και αιθυλενίου, όπως το καλά χαρακτηρισμένο γονίδιο δείκτη PR-1 που εξαρτάται από SA (Denoux et al., 2008) . Αυτές οι πρόσθετες αμυντικές αποκρίσεις πιθανότατα συμβάλλουν στη βασική αντίσταση στα παθογόνα. Επιπλέον, τα OG είναι ενδογενή σήματα που πιθανώς απελευθερώνονται σε χαμηλές ποσότητες και σε υγιείς φυτικούς ιστούς, ως συνέπεια των αναπτυξιακά σχετικών διαδικασιών αναδιαμόρφωσης του κυτταρικού τοιχώματος. Το εάν τα φυτά μπορούν να κάνουν διάκριση μεταξύ χαμηλών φυσιολογικών δόσεων και υψηλότερων ποσοτήτων OGs που παράγονται σε παθολογικές καταστάσεις δεν έχει διευκρινιστεί ακόμη. Παραδόξως, έχει παρατηρηθεί μια αμοιβαία παρέμβαση μεταξύ των αποκρίσεων που προκαλούνται από τα flg22 και OG, υποδηλώνοντας ότι διαφέρουν όχι μόνο από ποσοτική, αλλά και από ποιοτική άποψη (Aslam et al., 2009).

Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο γίνονται αντιληπτά τα OG είναι απαραίτητη για να αποσαφηνιστεί ο ρόλος τους in vivo, αλλά η αναγνώριση ενός υποδοχέα OG ήταν αποθαρρυντική για μεγάλο χρονικό διάστημα. Οι κινάσες που σχετίζονται με το τοίχωμα (WAKs) υποδείχθηκαν ως ενδιαφέρουσες υποψήφιες λόγω της ικανότητάς τους να δεσμεύουν OGs και πολυγαλακτουρονικό οξύ (Anderson et al., 2001· Decreux and Messiaen, 2005). Τα WAK είναι κινάσες που μοιάζουν με υποδοχείς, με μια εξωκυτταρική περιοχή που περιέχει μοτίβα επιδερμικού αυξητικού παράγοντα, μια διαμεμβρανική περιοχή και μια ενδοκυτταρική περιοχή κινάσης Ser/Thr (Anderson et al., 2001). Το Arabidopsis έχει μια μικρή οικογένεια πέντε γονιδίων WAK και μια μεγαλύτερη οικογένεια 22 γονιδίων τύπου WAK (WAKLs) (Verica et al., 2003), αν και στις μονοκοτυλήδονες αυτές οι οικογένειες εμφανίζονται σε μεγάλο βαθμό διευρυμένες (Zhang et al., 2005). Τα WAK αναγνωρίστηκαν για πρώτη φορά στο Arabidopsis ως πρωτεΐνες που συνδέονται με την πηκτίνη, καθώς μόνο οι σκληρές θεραπείες, π.χ. Ο βρασμός παρουσία υψηλών συγκεντρώσεων απορρυπαντικών και αναγωγικών παραγόντων ή η πέψη με πηκτινάση θα μπορούσε να διαλυτοποιήσει μια πρωτεΐνη που αντιδρά με ένα πολυκλωνικό αντίσωμα anti-WAK (He et al., 1996; Lally et al., 2001; Wagner and Kohorn, 2001). Η ίδια ζώνη περίπου 68 kDa (χαμηλότερη από τη θεωρητική μάζα των 78 kDa του ώριμου WAK1, που περιέχει οκτώ προβλεπόμενες θέσεις γλυκοζυλίωσης), αντέδρασε επίσης με μονοκλωνικά αντισώματα έναντι μερικώς εστεροποιημένου HGA (Wagner and Kohorn, 2001). Αυτό οδήγησε στο συμπέρασμα ότι το WAK1 είναι στενά συνδεδεμένο με την πηκτίνη. Στη συνέχεια, το WAK1 αποδείχθηκε ότι φέρει μια Ν-τερματική περιοχή δέσμευσης πηκτίνης που αλληλεπιδρά με μη μεθυλεστεροποιημένα HGA και OGs σε ένα Ca 1996; Lally et al., 2001; Wagner και Kohorn, 2001). Η ίδια ζώνη περίπου 68 kDa (χαμηλότερη από τη θεωρητική μάζα των 78 kDa του ώριμου WAK1, που περιέχει οκτώ προβλεπόμενες θέσεις γλυκοζυλίωσης), αντέδρασε επίσης με μονοκλωνικά αντισώματα έναντι μερικώς εστεροποιημένου HGA (Wagner and Kohorn, 2001). Αυτό οδήγησε στο συμπέρασμα ότι το WAK1 είναι στενά συνδεδεμένο με την πηκτίνη. Στη συνέχεια, το WAK1 αποδείχθηκε ότι φέρει μια Ν-τερματική περιοχή δέσμευσης πηκτίνης που αλληλεπιδρά με μη μεθυλεστεροποιημένα HGA και OGs σε ένα Ca 1996; Lally et al., 2001; Wagner και Kohorn, 2001). Η ίδια ζώνη περίπου 68 kDa (χαμηλότερη από τη θεωρητική μάζα των 78 kDa του ώριμου WAK1, που περιέχει οκτώ προβλεπόμενες θέσεις γλυκοζυλίωσης), αντέδρασε επίσης με μονοκλωνικά αντισώματα έναντι μερικώς εστεροποιημένου HGA (Wagner and Kohorn, 2001). Αυτό οδήγησε στο συμπέρασμα ότι το WAK1 είναι στενά συνδεδεμένο με την πηκτίνη. Στη συνέχεια, το WAK1 αποδείχθηκε ότι φέρει μια Ν-τερματική περιοχή δέσμευσης πηκτίνης που αλληλεπιδρά με μη μεθυλεστεροποιημένα HGA και OGs σε ένα Ca² -εξαρτώμενος τρόπος (Decreux and Messiaen, 2005). Συγκεκριμένα, τα OG με DP gt; 9 (δηλαδή αυτά με ενεργότητα διεγέρτη) συνδέονται αναστρέψιμα με το WAK1 και η δέσμευση αυξάνεται όταν τα OG είναι παρόντα ως διμερή σε μια διαμόρφωση «κουτιού αυγών» που προκαλείται από ασβέστιο (Cabrera et al., 2008). Οι Decreux et al. (2006), χρησιμοποιώντας τοποκατευθυνόμενη μεταλλαξογένεση, εντόπισε επίσης πέντε βασικά αμινοξέα στον εξωτομέα WAK1 που εμπλέκονται στη δέσμευση με διμερή και πολυμερή HGA. Οι εξωτομείς των WAK1 και WAK2 δεσμεύουν αποεστεροποιημένο HGA αλλά όχι υψηλά εστεροποιημένο HGA ή άλλα δομικά διαφορετικά πηκτικά συστατικά, όπως η ραμνογαλακτουρόνη I (RGI) και η ραμνογαλακτουρονάνη II (RGII; Kohorn et al., 2009). Αυτή η συμπεριφορά έρχεται σε αντίθεση με την παρατήρηση ότι οι πρωτόπλαστοι μεσόφυλλων φύλλων από ένα μετάλλαγμα wak2 knock out (KO) δεν είναι σε θέση να προκαλέσουν την έκφραση ενός γονιδίου κενοτοπικής ιμβερτάσης κατά τη θεραπεία είτε με αποεστεροποιημένο και εστεροποιημένο HGA, RGI και RGII (Kohorn et. al., 2009). Το εάν οι πρωτοπλάστες wak2 έχουν μειωμένη απόκριση ειδικά στην πηκτίνη και όχι σε άλλα μη πηκτικά σήματα πολυσακχαριτών, όπως η χιτίνη ή η χιτοζάνη, δεν επαληθεύτηκε. Αυτά τα δεδομένα είναι δύσκολο να ληφθούν ως απόδειξη ότι το WAK2 είναι ένας υποδοχέας για την πηκτίνη: δεδομένου του μεγέθους και της εξαιρετικής δομικής πολυπλοκότητας της πηκτίνης, προτείνοντας την αλληλεπίδρασή της με τα WAKs ως κλασική αλληλεπίδραση υποδοχέα-συνδέτη χωρίς να αναφέρεται σε μια συγκεκριμένη δομική περιοχή ως στόχος για αναγνώριση, μπορεί να είναι παραπλανητικός (Kohorn και Kohorn, 2012). Πολλές παρατηρήσεις, αντίθετα, υποδεικνύουν μια ειδικότητα ή τουλάχιστον μια προτίμηση των WAK1 και WAK2 για αποεστεροποιημένο HGA και για OG (Decreux and Messiaen, 2005; Kohorn et al., 2009). Η υπόθεση των WAKs ως υποδοχέων των OGs ήταν δύσκολο να ελεγχθεί μέσω συμβατικών γενετικών προσεγγίσεων λόγω λειτουργικού πλεονασμού. Συγκεκριμένα, τα μεταλλάγματα Arabidopsis KO για μεμονωμένα γονίδια WAK δεν παρουσιάζουν σημαντική αλλαγμένη απόκριση OG (μη δημοσιευμένα αποτελέσματα) και η δημιουργία διπλών ή πολλαπλών μεταλλαγμάτων είναι δύσκολη επειδή τα γονίδια είναι στενά ομαδοποιημένα (Verica et al., 2003). Μια προσέγγιση χιμαιρικού υποδοχέα, ωστόσο, αποκάλυψε ότι το WAK1 δρα ως υποδοχέας των OGs (Brutus et al., 2010). Η εξωκυτταρική περιοχή του WAK1 συντήχθηκε με το τμήμα κινάσης του υποδοχέα EF-Tu (EFR), του υποδοχέα του βακτηριακού MAMP elf18 (Zipfel et al., 2006), και ο χιμαιρικός υποδοχέας ήταν ικανός να ενεργοποιήσει την περιοχή κινάσης σε απόκριση στα OGs. Από την άλλη πλευρά, κατά τη διέγερση με elf18, ένας χιμαιρικός υποδοχέας που σχηματίζεται από την εξωτομή EFR και την περιοχή κινάσης του WAK1 ενεργοποίησε τις τυπικές αποκρίσεις που προκαλούνται από τα OG.

Τόσο η πηκτίνη όσο και τα OG επηρεάζουν την έκφραση των γονιδίων των φυτών, αλλά τα επαγόμενα μεταγραφικά προφίλ εμφανίζονται διαφορετικά. Για παράδειγμα, η έκφραση περίπου 50 γονιδίων ρυθμίζεται προς τα πάνω σε πρωτοπλάστες Arabidopsis που έχουν υποστεί επεξεργασία με πηκτίνη υψηλού μοριακού βάρους (Kohorn et al., 2009), ενώ η έκφραση περισσότερων από χίλιων γονιδίων προκαλείται σε φυτά Arabidopsis που έχουν υποστεί επεξεργασία με OGs (Ferrari et al., 2007· Denoux et al., 2008). Σημειωτέον, πολύ λίγα από τα γονίδια που ρυθμίζονται προς τα πάνω από τις επεξεργασίες με πηκτίνη επάγονται επίσης από OGs στα σπορόφυτα. Πιθανώς, η πηκτίνη και τα OGs προκαλούν διαφορετικές αποκρίσεις και περισσότεροι από ένας υποδοχείς εμπλέκονται στην αντίληψή τους.

Η ανάλυση της έκφρασης των WAK και WAKL υποδηλώνει ότι τα περισσότερα από αυτά παίζουν ρόλο στην άμυνα. Τα δεδομένα δημόσιας μικροσυστοιχίας υποδεικνύουν ότι τα WAK1, WAK2 και WAK3 προκαλούνται όλα από το Phytophthora parasitica, το όζον και τη βενζοθειαδιαζόλη, έναν ενεργοποιητή της συστηματικής επίκτητης αντοχής, ενώ τα WAK1 και WAK2 επίσης επάγονται από SA. Είναι ενδιαφέρον ότι το WAK1 προκαλείται στα σπορόφυτα Arabidopsis από OG, αλλά, απροσδόκητα, κανένα από τα WAK δεν ρυθμίζεται προς τα πάνω από το flg22 (Denoux et al., 2008). Η υπερέκφραση του WAK1 στο Arabidopsis ή στο ρύζι OsWAK1 αυξάνει την αντοχή στο Botrytis cinerea και στο Magnaporthe oryzae, αντίστοιχα (Li et al., 2009; Brutus et al., 2010). το Arabidopsis WAKL22 προσδίδει αντοχή στο Fusarium oxysporum (Diener and Ausubel, 2005), αν και ο τρόπος δράσης του δεν είναι γνωστός.

Ο ρόλος των WAKs υπό φυσιολογικές συνθήκες είναι λιγότερο σαφής. Δεδομένου ότι η πηκτίνη είναι στενά συνδεδεμένη με την εξωκυτταρική περιοχή των WAKs, αυτές οι πρωτεΐνες είναι καλοί υποψήφιοι για την παρακολούθηση της ακεραιότητας της πηκτίνης. Πράγματι, η μειωμένη έκφραση των WAKs μέσω επαγώγιμων αντιπληροφοριακών κατασκευών προκαλεί μειωμένη ανάπτυξη, υποδηλώνοντας έναν ρόλο αυτών των πρωτεϊνών στη ρύθμιση της κυτταρικής επέκτασης (Lally et al., 2001; Wagner and Kohorn, 2001). Αυτό συμφωνεί με την παρατήρηση ότι τα μεταλλάγματα wak2 έχουν μειωμένη ανάπτυξη μόνο απουσία οσμωτικής υποστήριξης, υποδηλώνοντας ότι έχουν ελάττωμα στη δομή και/ή στη σύνθεση του κυτταρικού τοιχώματος (Kohorn et al., 2006).

Η αντίληψη μορίων μη εαυτού ή κατεστραμμένου εαυτού είναι ένας ταξινομικά διαδεδομένος μηχανισμός και μπορεί να έχει προσαρμοστική σημασία. Υπάρχουν εντυπωσιακές παραλληλίες μεταξύ πηκτίνης/OGs και θραυσμάτων υαλουρονάνης/υαλουρονάνης που βρίσκονται σε ζωικά κύτταρα. Η διάσπαση της υαλουρονάνης, ενός συστατικού της εξωκυτταρικής μήτρας των ζώων, μετά από τραυματισμό ιστού ή μόλυνση από παθογόνο, ενεργοποιεί το έμφυτο ανοσοποιητικό σύστημα των σπονδυλωτών (Jiang et al., 2011). Τα θραύσματα υαλουρονάνης ανιχνεύονται από τους επαναλαμβανόμενους υποδοχείς πλούσιους σε λευκίνη της πλασματικής μεμβράνης Toll-like receptor 2 (TLR2) και TLR4 (Taylor et al., 2007), οι οποίοι απαιτούνται επίσης για την αντίληψη και την ενεργοποίηση της ανοσολογικής απόκρισης από τους MAMP (Scheibner et. al., 2006). Είναι επομένως σαφές ότι τόσο τα φυτά όσο και τα ζώα έχουν εξελίξει ανάλογα συστήματα για να ενεργοποιήσουν την έμφυτη ανοσία ως απόκριση τόσο στα MAMP όσο και στα DAMP.

Τα OG ενεργούν ως σήματα στην απόκριση του τραύματος

Η αναγνώριση των OGs είναι πιθανώς μια κρίσιμη λειτουργία του φυτού PIMS, τόσο σε φυσιολογικές όσο και σε παθολογικές συνθήκες. Ένας από τους πιο συνηθισμένους κινδύνους που αντιμετωπίζουν τα φυτά είναι ο τραυματισμός, καθώς ο τραυματισμένος ιστός αντιπροσωπεύει ένα εύκολο σημείο εισόδου για τον αποικισμό των παθογόνων. Τα φυτά είναι σε θέση να αισθάνονται μηχανικά κατεστραμμένους ιστούς ως αλλοιωμένο εαυτό και να ανταποκρίνονται ενεργοποιώντας εντοπισμένες άμυνες παρόμοιες με αυτές που ενεργοποιούνται από μόλυνση από παθογόνο. Αυτές περιλαμβάνουν μια ταχεία οξειδωτική έκρηξη (Bradley et al., 1992· Brisson et al., 1994), την έκφραση γονιδίων που σχετίζονται με την άμυνα (Reymond et al., 2000) και τη συσσώρευση πρωτεϊνών που σχετίζονται με την παθογένεση (Chang et al. , 1995· Εικόνα 1). Αρκετά γονίδια που επηρεάζονται από τον τραυματισμό ρυθμίζονται επίσης ως απόκριση σε παθογόνα (Reymond and Farmer, 1998; Durrant et al., 2000; Reymond et al., 2000). Μια μελέτη σχετικά με την τοπική και συστηματική επαγόμενη από το τραύμα συσσώρευση PI στην ντομάτα οδήγησε στην ανακάλυψη της συστημίνης, ενός πεπτιδικού σήματος που μεσολαβεί ειδικά στη συστηματική απόκριση του τραύματος, και αποκάλυψε ότι επίσης τα OG είναι ικανά να επάγουν συσσώρευση PI (Ryan and Jagendorf, 1995 ). Ως εκ τούτου, οι OG έχουν υποτεθεί ότι εμπλέκονται στη σηματοδότηση του τραύματος, επειδή μπορούν να δημιουργηθούν τόσο απευθείας από τη φυσική διαταραχή του HGA όσο και από τη δράση ενδογενών PGs (Εικόνα 1). Πράγματι, ένα PG τομάτας έχει περιγραφεί ότι είναι υπεύθυνο για την παραγωγή OGs μετά από τραυματισμό (Bergey et al., 1999). Ωστόσο, τα OG είναι πιθανό να δρουν μόνο ως τοπικά σήματα, λόγω της ολιγοανιονικής φύσης τους και της περιορισμένης κινητικότητάς τους στους ιστούς (Baydoun and Fry, 1985). Η δράση τους είναι ανεξάρτητη από το σύστημα:

Το Jasmonate είναι ένα ουσιαστικό σήμα στην απόκριση του συστηματικού τραύματος τομάτας (Sun et al., 2011), αν και η πλήρης ενεργοποίηση αρκετών αμυντικών αποκρίσεων που ρυθμίζονται από JA απαιτεί αιθυλένιο (O’Donnell et al., 1996; Ryan and Moura, 2002). Οι παρατηρήσεις ότι αρκετά γονίδια που ανταποκρίνονται στο τραύμα είναι ανεξάρτητα από JA και ότι η τοπική και η συστηματική έκφραση γονιδίου που προκαλείται από το τραύμα είναι διαφορετική υποδηλώνουν την ύπαρξη δύο ξεχωριστών μονοπατιών σηματοδότησης στην ντομάτα: η μία μεσολαβείται από συστημίνη και JA και είναι υπεύθυνη για τη συστημική απόκριση, η άλλη διαμεσολαβείται από OG αλλά όχι από JA, και λειτουργεί μόνο τοπικά. Η αλληλεπίδραση μεταξύ των δύο οδών έχει προταθεί, καθώς η επαγόμενη από OG παραγωγή ROS σε κύτταρα τομάτας ενισχύεται από τη συστημίνη (Stennis et al., 1998). Στο Arabidopsis, όπως στην ντομάτα, τόσο το JA όσο και το αιθυλένιο απαιτούνται για μια ισχυρότερη και πιο γρήγορη έκφραση αρκετών γονιδίων που ανταποκρίνονται στο τραύμα (Moffat et al., 2012) και οι τοπικές και συστημικές αποκρίσεις στον τραυματισμό είναι διαφορετικές (Rojo et al., 1999, 2003; Delessert et al. ., 2004). Επιπλέον, επίσης στο Arabidopsis, τα OG ρυθμίζουν προς τα πάνω αρκετά γονίδια που ανταποκρίνονται στο τραύμα ανεξάρτητα από το JA (Leon et al., 2001). Ωστόσο, υπάρχουν σημαντικές διαφορές μεταξύ των αποκρίσεων του τραύματος της ντομάτας και του Arabidopsis. Για παράδειγμα, τα γονίδια που κωδικοποιούν συστημίνη απουσιάζουν στο Arabidopsis και η σύνθεση JA προκαλείται από OGs και χιτοζάνη στην ντομάτα, ενώ το JA δεν συσσωρεύεται στα φυτά Arabidopsis που έχουν υποστεί αγωγή με χιτοζάνη. Στο Arabidopsis, η χιτοζάνη μπλοκάρει την επαγόμενη από JA έκφραση γονιδίου μέσω μιας οδού που εξαρτάται από το αιθυλένιο (Rojo et al., 1999). Προς το παρόν, δεν υπάρχουν ενδείξεις ότι τα OGs επάγουν τη σύνθεση αιθυλενίου (Ferrari et al., 2008; Brutus et al., 2010) και δεν είναι γνωστό εάν μπλοκάρουν τις επαγόμενες από JA αποκρίσεις.

Τα ολιγογαλακτουρονίδια προστατεύουν το Arabidopsis και το αμπέλι έναντι του Botrytis cinerea (Aziz et al., 2004; Ferrari et al., 2007). Συγκεκριμένα, ο τραυματισμός του Arabidopsis προκαλεί ισχυρή αντίσταση ενάντια στο ίδιο παθογόνο (Chassot et al., 2008). Η τοπική αντίσταση που προκαλείται τόσο από τα OGs όσο και από τον τραυματισμό είναι ανεξάρτητη από τα μονοπάτια σηματοδότησης που προκαλούνται από SA-, JA- και αιθυλένιο και απαιτεί PHYTOALEXIN DEFICIENT 3 (PAD3; Ferrari et al., 2007; Chassot et al., 2008), ένα κυτόχρωμα P4. καταλύει το τελευταίο στάδιο της βιοσύνθεσης της καμαλεξίνης (Zhou et al., 1999). Δεν παρατηρείται συσσώρευση καμαλεξίνης μετά τον τραυματισμό (Chassot et al., 2008) ούτε μετά από θεραπεία με OG (Ferrari, μη δημοσιευμένα αποτελέσματα), αν και έχει παρατηρηθεί εκκίνηση της συσσώρευσης καμαλεξίνης μετά τον εμβολιασμό με Botrytis cinerea σε τραυματισμένα φύλλα (Chassot et al., 2008) . Αυτά τα δεδομένα υποδηλώνουν ότι η αντίσταση που προκαλείται από το τραύμα στο Botrytis cinerea προκαλείται από OGs. Ωστόσο, η συστηματική προστασία έναντι του Botrytis cinerea δεν παρατηρείται μετά τον τραυματισμό (Chassot et al., 2008), ενώ η διήθηση με σύριγγα με OGs αυξάνει τόσο την τοπική όσο και τη συστηματική αντίσταση στον μύκητα (Ferrari et al., 2007), πιθανώς επειδή η ποσότητα Τα διηθημένα OG είναι υψηλότερα από αυτά που απελευθερώνονται στον ιστό κατά τη διάρκεια μηχανικής βλάβης. Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι τόσο ο τραυματισμός (Cheong et al., 2002) όσο και οι OGs (Branca et al., 1988; Bellincampi et al., 1996; Ferrari et al., 2008; Savatin et al., 2011) καταστέλλουν τις αντιδράσεις αυξίνης (βλ. παρακάτω), υποστηρίζοντας την υπόθεση ότι τα OG μεσολαβούν τουλάχιστον σε ορισμένες αποκρίσεις που προκαλούνται από μηχανική βλάβη. συστηματική προστασία έναντι του Botrytis cinerea δεν παρατηρείται μετά από τραυματισμό (Chassot et al., 2008), ενώ η διήθηση σύριγγας με OGs αυξάνει τόσο την τοπική όσο και τη συστημική αντίσταση στον μύκητα (Ferrari et al., 2007), πιθανώς επειδή η ποσότητα των διεισδυμένων OGs είναι υψηλότερο από αυτό που απελευθερώνεται στον ιστό κατά τη μηχανική βλάβη. Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι τόσο ο τραυματισμός (Cheong et al., 2002) όσο και οι OGs (Branca et al., 1988; Bellincampi et al., 1996; Ferrari et al., 2008; Savatin et al., 2011) καταστέλλουν τις αντιδράσεις αυξίνης (βλ. παρακάτω), υποστηρίζοντας την υπόθεση ότι τα OG μεσολαβούν τουλάχιστον σε ορισμένες αποκρίσεις που προκαλούνται από μηχανική βλάβη. συστηματική προστασία έναντι του Botrytis cinerea δεν παρατηρείται μετά από τραυματισμό (Chassot et al., 2008), ενώ η διήθηση σύριγγας με OGs αυξάνει τόσο την τοπική όσο και τη συστημική αντίσταση στον μύκητα (Ferrari et al., 2007), πιθανώς επειδή η ποσότητα των διεισδυμένων OGs είναι υψηλότερο από αυτό που απελευθερώνεται στον ιστό κατά τη μηχανική βλάβη. Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι τόσο ο τραυματισμός (Cheong et al., 2002) όσο και οι OGs (Branca et al., 1988; Bellincampi et al., 1996; Ferrari et al., 2008; Savatin et al., 2011) καταστέλλουν τις αντιδράσεις αυξίνης (βλ. παρακάτω), υποστηρίζοντας την υπόθεση ότι τα OG μεσολαβούν τουλάχιστον σε ορισμένες αποκρίσεις που προκαλούνται από μηχανική βλάβη. πιθανώς επειδή η ποσότητα των διηθημένων OG είναι μεγαλύτερη από αυτή που απελευθερώνεται στον ιστό κατά τη διάρκεια μηχανικής βλάβης. Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι τόσο ο τραυματισμός (Cheong et al., 2002) όσο και οι OGs (Branca et al., 1988; Bellincampi et al., 1996; Ferrari et al., 2008; Savatin et al., 2011) καταστέλλουν τις αντιδράσεις αυξίνης (βλ. παρακάτω), υποστηρίζοντας την υπόθεση ότι τα OG μεσολαβούν τουλάχιστον σε ορισμένες αποκρίσεις που προκαλούνται από μηχανική βλάβη. πιθανώς επειδή η ποσότητα των διηθημένων OG είναι μεγαλύτερη από αυτή που απελευθερώνεται στον ιστό κατά τη διάρκεια μηχανικής βλάβης. Πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι τόσο ο τραυματισμός (Cheong et al., 2002) όσο και οι OGs (Branca et al., 1988; Bellincampi et al., 1996; Ferrari et al., 2008; Savatin et al., 2011) καταστέλλουν τις αντιδράσεις αυξίνης (βλ. παρακάτω), υποστηρίζοντας την υπόθεση ότι τα OG μεσολαβούν τουλάχιστον σε ορισμένες αποκρίσεις που προκαλούνται από μηχανική βλάβη.

Είναι οι OG ρυθμιστές της ανάπτυξης και της ανάπτυξης των φυτών;

Οι δυναμικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των φυτικών κυττάρων ανάλογα με την κατάσταση της πηκτίνης στο κυτταρικό τοίχωμα αναδεικνύονται ως σημαντικοί ρυθμιστικοί μηχανισμοί ανάπτυξης και ανάπτυξης (Wolf et al., 2012). Επειδή η πηκτίνη είναι από τα πρώτα συστατικά που τροποποιούνται όταν το τοίχωμα υφίσταται φυσιολογική αναδιαμόρφωση, τα OGs μπορεί να είναι σημαντικά όχι μόνο στην άμυνα έναντι των παθογόνων, αλλά και υπό φυσιολογικές συνθήκες. Με την πάροδο του χρόνου, τα OGs έχουν αναφερθεί ότι έχουν επιπτώσεις στην ανάπτυξη και ανάπτυξη των φυτών. Ένα από τα πρώτα περιγραφέντα αποτελέσματα, δηλαδή η επαγωγή της ωρίμανσης των καρπών της τομάτας μέσω της επαγωγής αιθυλενίου, αποδείχθηκε αργότερα ότι μεσολαβείται από OG στο εύρος μεγέθους DP 4-6 και όχι 10-15 (Simpson et al., 1998 ).

Οι αυξίνες, και ιδιαίτερα το ινδολο-3-οξικό οξύ (ΙΑΑ), είναι ζωτικής σημασίας για την ανάπτυξη και την ανάπτυξη των φυτών (Leyser, 2002). Οι φυσιολογικές αποκρίσεις στις αυξίνες μπορούν να ανταγωνίζονται με τα OGs, όπως περιγράφεται για πρώτη φορά από τους Branca et al. (1988), ο οποίος έδειξε ότι η επαγόμενη από αυξίνη επιμήκυνση στα τμήματα του στελέχους μπιζελιού αναστέλλεται ανταγωνιστικά από τα OG. Στη συνέχεια, τα OGs έχει αποδειχθεί ότι αναστέλλουν τον επαγόμενο από αυξίνη σχηματισμό ριζών σε εκφυτεύματα καπνού και φύλλων Arabidopsis καθώς και σε εκφυτεύματα λεπτής κυτταρικής στιβάδας (Bellincampi et al., 1993· Savatin et al., 2011) και να επάγουν αυτόν τον σχηματισμό λουλουδιών στα εκφυτεύματα κανονικά δεν σχηματίζουν όργανα (Marfà et al., 1991). Επιπλέον, τα OGs αναστέλλουν τη διέγερση από την αυξίνη της μιτωτικής δραστηριότητας που οδηγεί στο σχηματισμό στομάτων και ενισχύουν το μέσο πάχος του τοιχώματος των φυλλικών περικυκλικών κυττάρων, κυρίως μέσω της εναπόθεσης κυτταρίνης, καθώς και τον αριθμό των περικυκλικών κυττάρων με πολύ παχύ τοίχωμα (Altamura et al., 1998). Σε μοριακό επίπεδο, τα OG παρεμβαίνουν στην ενεργοποίηση προαγωγέων που ρυθμίζονται προς τα πάνω από την αυξίνη, όπως αυτοί του γονιδίου του καπνού Nt114 και του Agrobacterium rhizogenes rolB που εκφράζεται στον καπνό (Bellincampi et al., 1996; Mauro et al., 2002) . Αν και τα OG δεν δρουν απλώς αναστέλλοντας τη δράση του IAA (Spiro et al., 2002), οι περισσότερες από τις αναπτυξιακές επιδράσεις των OGs μπορούν να εξηγηθούν με την ικανότητά τους να ανταγωνίζονται τις αποκρίσεις αυξίνης.

Στο Arabidopsis, η μεταγραφή αρκετών γονιδίων που προκαλούνται από αυξίνη (π.χ., IAA5, SAUR16 και SAUR-AC1), καθώς και η ενεργοποίηση του συνθετικού ανταποκρινόμενου στην αυξίνη προαγωγέα DR5 (Ulmasov et al., 1997) αναστέλλονται ανεξάρτητα από OGs SA, JA, και αιθυλενίου και συσσώρευσης H2O2 που προκαλείται από AtrbohD (Savatin et al., 2011). Διαφορετικά στοιχεία της οδού σηματοδότησης αυξίνης αναλύθηκαν ως πιθανοί στόχοι για αναστολή με τη μεσολάβηση OG. Η αυξίνη δρα δεσμεύοντας την πρωτεΐνη F-box TRANSPORT INHIBITOR RESPONSE 1 (TIR1) και τα ομόλογά της AUXIN SIGNALING F-BOXES (AFBs) και προάγοντας την αποδόμηση του AUXIN/INDOLE-3-ACETIC Acid (Aux/IAA) μεταγραφικά et al., 2001· Dharmasiri et al., 2005). Αναφέρθηκε ότι ο βακτηριακός διεγέρτης flagellin καταστέλλει τις αποκρίσεις αυξίνης στο Arabidopsis μέσω της επαγωγής ενός microRNA (miR393) που στρέφεται ενάντια στα μεταγραφήματα TIR1/AFB (Navarro et al., 2006). αυτή η επαγωγή, ωστόσο, συμβαίνει μόνο σε υψηλές δόσεις του διεγέρτη (Savatin et al., 2011). Ο ανταγωνισμός μεταξύ των OGs και της αυξίνης δεν περιλαμβάνει τη σίγαση των γονιδίων TIR1/AFB, ούτε απαιτεί δραστηριότητα miR393 ή μετα-μεταγραφική σίγαση γονιδίου (Savatin et al., 2011). Επιπλέον, ο ανταγωνισμός OG-αυξίνης εμφανίζεται επίσης όταν τα ρυθμιζόμενα από την αυξίνη γονίδια επάγονται από τον αναστολέα μετάφρασης κυκλοεξιμίδη, υποδηλώνοντας ότι τα OGs μπορεί να δρουν κατάντη των καταστολέων Aux/IAA, πιθανώς στο επίπεδο των περιοχών υποκινητή των γονιδίων που αποκρίνονται στην αυξίνη (Εικόνα 2 ). εμφανίζεται μόνο σε υψηλές δόσεις του διεγέρτη (Savatin et al., 2011). Ο ανταγωνισμός μεταξύ των OGs και της αυξίνης δεν περιλαμβάνει τη σίγαση των γονιδίων TIR1/AFB, ούτε απαιτεί δραστηριότητα miR393 ή μετα-μεταγραφική σίγαση γονιδίου (Savatin et al., 2011). Επιπλέον, ο ανταγωνισμός OG-αυξίνης εμφανίζεται επίσης όταν τα ρυθμιζόμενα από την αυξίνη γονίδια επάγονται από τον αναστολέα μετάφρασης κυκλοεξιμίδη, υποδηλώνοντας ότι τα OGs μπορεί να δρουν κατάντη των καταστολέων Aux/IAA, πιθανώς στο επίπεδο των περιοχών υποκινητή των γονιδίων που αποκρίνονται στην αυξίνη (Εικόνα 2 ). εμφανίζεται μόνο σε υψηλές δόσεις του διεγέρτη (Savatin et al., 2011). Ο ανταγωνισμός μεταξύ των OGs και της αυξίνης δεν περιλαμβάνει τη σίγαση των γονιδίων TIR1/AFB, ούτε απαιτεί δραστηριότητα miR393 ή μετα-μεταγραφική σίγαση γονιδίου (Savatin et al., 2011). Επιπλέον, ο ανταγωνισμός OG-αυξίνης εμφανίζεται επίσης όταν τα ρυθμιζόμενα από την αυξίνη γονίδια επάγονται από τον αναστολέα μετάφρασης κυκλοεξιμίδη, υποδηλώνοντας ότι τα OGs μπορεί να δρουν κατάντη των καταστολέων Aux/IAA, πιθανώς στο επίπεδο των περιοχών υποκινητή των γονιδίων που αποκρίνονται στην αυξίνη (Εικόνα 2 ).

ΣΧΗΜΑ 2. Ένα μοντέλο για τη ρύθμιση αρνητικής ανάδρασης με τη μεσολάβηση OG των αποκρίσεων αυξίνης.Τα φυτικά κύτταρα ανιχνεύουν την αυξίνη μέσω των υποδοχέων TIR1/AFBs, πρωτεϊνών F-box που σχηματίζουν ένα σύμπλεγμα λιγκάσης ουβικιτίνης SCF E3 μαζί με SKP (ASK1) και CULLIN1 (CUL1). Αυτό το σύμπλεγμα ρυθμίζεται από πρωτεΐνες του ενζύμου σύζευξης RUB1 (Rub) και RING BOX1 (RBX) και, παρουσία αυξίνης, οδηγεί στην ουβικουϊτινοποίηση των καταστολέων Aux/IAA και στην αποικοδόμησή τους με τη μεσολάβηση του πρωτεασώματος. Η αποικοδόμηση Aux/IAA απελευθερώνει παράγοντες απόκρισης αυξίνης (ARFs) που εκκινούν τη μεταγραφή γονιδίων που αποκρίνονται στην αυξίνη, που χαρακτηρίζονται από την παρουσία στοιχείων απόκρισης αυξίνης (AuxREs) στους προαγωγείς τους. Η αυξίνη επάγει επίσης την έκφραση φυτικών PG και άλλων ενζύμων αποικοδόμησης της πηκτίνης (Laskowski et al., 2006). Η δράση αυτών των ενζύμων μπορεί να απελευθερώσει στους αποπλάστους OGs που μπορούν να αναστείλουν αποκρίσεις που σχετίζονται με την αυξίνη, δημιουργώντας έναν βρόχο αρνητικής ανάδρασης.

συμπέρασμα

Τα ολιγογαλακτουρονίδια είναι πολύ καλά χαρακτηρισμένοι διεγέρτες της άμυνας των φυτών και είναι ικανά να προστατεύουν τα φυτά από ασθένειες. Η συμμετοχή τους στην τοπική απόκριση του τραύματος είναι ένα άλλο ενδιαφέρον χαρακτηριστικό των OG. Ενδεχομένως, αυτοί οι διεγέρτες έχουν μια γενική λειτουργία της «πρώσης» της άμυνας των φυτών κατά τη βλάβη του κυτταρικού τοιχώματος που συμβαίνει στα αρχικά στάδια μιας μικροβιακής εισβολής ή κατά τη διάρκεια της επίθεσης εντόμων. Τα OG μπορούν επίσης να λειτουργήσουν ως ρυθμιστές της ανάπτυξης και ανάπτυξης των φυτών κυρίως μέσω του ανταγωνισμού τους με την αυξίνη. Η διαίρεση και η επιμήκυνση των κυττάρων συχνά ενορχηστρώνονται από αυξίνη και απαιτούν τροποποιήσεις του κυτταρικού τοιχώματος. Είναι σημαντικό ότι η αυξίνη επάγει την έκφραση των PGs και άλλων ενζύμων αποικοδόμησης της πηκτίνης (Laskowski et al., 2006). Αυτά τα ένζυμα, με τη σειρά τους, μπορεί να απελευθερώσουν OGs στον απόπλαστο για μια αρνητική ανάδραση ρύθμιση της δράσης της αυξίνης. Μέχρι σήμερα, δεν υπάρχουν στοιχεία για την αναστολή των φυτικών PG από τα PGIP. Ωστόσο, τα λίγα φυτικά PG που έχουν χαρακτηριστεί μέχρι στιγμής έχουν ειδική δραστικότητα πολύ χαμηλότερη από αυτή των ενζύμων που εκκρίνονται από το παθογόνο. Έτσι, η απελευθέρωση OGs κατά την ανάπτυξη και την ανάπτυξη μπορεί να μην απαιτεί τροποποίηση από τα PGIP. Ο ρόλος των OGs ως ρυθμιστών ανάπτυξης και ανάπτυξης εξακολουθεί να είναι μια ενδιαφέρουσα εικασία, βασισμένη μέχρι στιγμής σε πειράματα που αφορούν τις εξωγενείς εφαρμογές τους. Το εάν τα OGs συσσωρεύονται σε σημαντική συγκέντρωση σε ανέπαφους ιστούς που δεν επηρεάζονται από μικροβιακή μόλυνση και εάν δρουν ως ενδογενείς ρυθμιστές των φυσιολογικών διεργασιών δεν έχει ακόμη αποδειχθεί. Η απελευθέρωση OGs κατά την ανάπτυξη και ανάπτυξη ενδέχεται να μην απαιτεί τροποποίηση από τα PGIP. Ο ρόλος των OGs ως ρυθμιστών ανάπτυξης και ανάπτυξης εξακολουθεί να είναι μια ενδιαφέρουσα εικασία, βασισμένη μέχρι στιγμής σε πειράματα που αφορούν τις εξωγενείς εφαρμογές τους. Το εάν τα OGs συσσωρεύονται σε σημαντική συγκέντρωση σε ανέπαφους ιστούς που δεν επηρεάζονται από μικροβιακή μόλυνση και εάν δρουν ως ενδογενείς ρυθμιστές των φυσιολογικών διεργασιών δεν έχει ακόμη αποδειχθεί. Η απελευθέρωση OGs κατά την ανάπτυξη και ανάπτυξη ενδέχεται να μην απαιτεί τροποποίηση από τα PGIP. Ο ρόλος των OGs ως ρυθμιστών ανάπτυξης και ανάπτυξης εξακολουθεί να είναι μια ενδιαφέρουσα εικασία, βασισμένη μέχρι στιγμής σε πειράματα που αφορούν τις εξωγενείς εφαρμογές τους. Το εάν τα OGs συσσωρεύονται σε σημαντική συγκέντρωση σε ανέπαφους ιστούς που δεν επηρεάζονται από μικροβιακή μόλυνση και εάν δρουν ως ενδογενείς ρυθμιστές των φυσιολογικών διεργασιών δεν έχει ακόμη αποδειχθεί.

Δήλωση Σύγκρουσης Συμφερόντων

Οι συγγραφείς δηλώνουν ότι η έρευνα διεξήχθη απουσία εμπορικών ή οικονομικών σχέσεων που θα μπορούσαν να ερμηνευθούν ως πιθανή σύγκρουση συμφερόντων.

Ευχαριστίες

Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από την επιχορήγηση ERC (ERC_AdG_233083 επιχορήγηση που απονεμήθηκε στον Felice Cervone), από το Ministryo dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca (PRIN2009 WTCJL8 και FIRB ERA-PG RBER063SN4 επιχορηγήσεις που απονεμήθηκαν στην Giulia De Lostitutoren). – Fondazione Cenci-Bolognetti και από το Sapienza Università di Roma (επιχορήγηση Ricerche Universitarie C26A10ME4X που χορηγήθηκε στη Giulia De Lorenzo).

ολιγογαλακτουρονίδια, μοριακά μοτίβα που σχετίζονται με βλάβη, έμφυτη ανοσία, πηκτίνη, διεγέρτες, μεταγωγή σήματος, κυτταρικό τοίχωμα, αμυντικές αποκρίσεις