Selvforsvar for planter

Når du ser brune pletter på ellers sunde grønne blade, du kan være vidne til en plantes immunrespons, da den forsøger at forhindre en bakteriel infektion i at sprede sig. Nogle planter er mere modstandsdygtige over for sådanne infektioner end andre, og plantebiologer vil gerne forstå hvorfor. Salk Institute-forskere, der studerede et planteprotein kaldet SOBER1, opdagede for nylig en mekanisme, hvorved kontraintuitivt, planter synes at gøre sig selv mindre modstandsdygtige over for infektion.

Arbejdet, som dukkede op i Naturkommunikation den 19. december, 2017, kaster lys over planteresistens generelt og kan føre til strategier til at øge planters naturlige immunitet eller bedre at begrænse infektioner, der truer med at ødelægge en hel landbrugsafgrøde.

"Der er mange tab i afgrødeudbyttet på grund af bakterier, der dræber planter, " siger avisens seniorforfatter Joanne Chory, en Howard Hughes Medical Institute Investigator, direktør for Salk's Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory og en 2018-modtager af Gennembrudsprisen i biovidenskab. "Med dette arbejde, vi satte os for at forstå den underliggende mekanisme for, hvordan modstand virker, og for at se, hvor generelt det er."

En af måderne, hvorpå planter bekæmper bakteriel infektion, er ved at dræbe deres egne celler, hvori bakterielle proteiner påvises. Men nogle bakterier har udviklet en modstrategi - injicerer specielle proteiner, der undertrykker plantens immunrespons ved at tilføje små, deaktivering af kemiske tags kaldet acetylgrupper til immunmolekyler. Denne proces kaldes acetylering. Hvad der gør visse planter i stand til at modstå disse bakterielle modforanstaltninger, mens andre bukker under for infektion, er stadig uklart.

Som et middel til bedre at forstå sådanne patogen-plante-interaktioner, Chorys hold vendte sig mod det velstuderede ukrudt Arabidopsis thaliana og, i særdeleshed, et enzym kaldet SOBER1 - som tidligere var blevet rapporteret at undertrykke ukrudtets immunrespons på et bakterieprotein kendt som AvrBsT. Selvom det kan virke kontraintuitivt at bruge immunundertrykkelse til at studere infektionsresistens, Salk-biologerne mente, at det kunne give nyttig information.

Forskerne startede med at bestemme SOBER1's aminosyresekvens - den særlige rækkefølge af byggesten, der giver et protein dets grundlæggende identitet. Spændende nok, de fandt ud af, at det lignede et kræft-pathway-relateret humant enzym. Dette enzym indeholder en karakteristisk tunnel, hvori proteiner med visse typer modifikationer kan passe og skæres som en del af den enzymatiske reaktion. Det viser sig, at SOBER1 kan klassificeres som en del af en enorm protein-superfamilie kendt som alfa/beta-hydrolaser. Disse enzymer deler en fælles kernestruktur, men er meget fleksible i de kemiske reaktioner, de katalyserer, som spænder fra nedbrydning af fedt til afgiftning af kemikalier kaldet peroxider.

Næste, de brugte en mere end 100 år gammel teknik kaldet røntgenkrystallografi til at bestemme SOBER1's tredimensionelle struktur. Selvom det ligner det humane enzym, planteenzymets tunnel havde to ekstra aminosyrer, der stak ned fra toppen:en ved indgangen og en i midten.

"Da vi så dem, vi indså, at de måtte have en dramatisk effekt på funktionen, fordi de dybest set blokerer tunnelen, " siger Salk research associate og co-first forfatter Marco Bürger.

For at finde ud af, hvad formålet kan være, Bürger og medforfatter Björn Willige, også en forskningsmedarbejder, brugte substrater (molekyler som enzymer virker på) med forskellige længder og biokemisk testet hvor godt de passer i enzymet og om de kunne skæres. Kun visse typer passer og blev skåret - meget korte acetylgrupper. Dette antydede, at SOBER1 er en deacetylase - en klasse af enzymer, der fjerner acetylgrupper. Desuden, holdet muterede SOBER1 og åbnede dermed den spærrede tunnel. Med denne ændring, Bürger og Willige konstruerede et enzym, der mistede sin stærke specificitet for korte acetylgrupper og i stedet foretrak længere substrater.

"Til de indledende biokemiske eksperimenter, vi brugte etablerede, kunstige underlag, " siger Willige. "Men dernæst ville vi se, hvad der ville ske med planter."

For det, de brugte tobaksplanter - som har store blade, der er nemme at arbejde med - og en bakterie, der laver AvrBsT, som er kendt for at udløse acetylering. De producerede AvrBsT i forskellige områder af tobaksblade sammen med SOBER1 og flere muterede (og dermed ikke-funktionelle) versioner af enzymet.

Blade, der producerede AvrBsT, havde brune pletter af dødt væv, hvilket indikerer, at AvrBsT havde iværksat et celledødsprogram for at begrænse den systemiske spredning af patogenet. Blade, der producerede AvrBsT sammen med SOBER1 så sunde ud, hvilket indikerer, at SOBER1 vendte handlingen fra AvrBsT. Påfaldende nok, muterede SOBER1-versioner med en åbnet tunnel var ikke i stand til at forhindre vævet i at dø. Fra dette, forskerne konkluderede, at deacetylering må være den underliggende kemiske reaktion, der fører til undertrykkelse af plantens immunrespons.

Tobakstestene understøttede ideen om, at SOBER1 var en deacetylase, der ville fjerne acetylgrupper tilføjet af bakterielle proteiner. Uden acetylgrupper, der mærker proteiner, planten genkendte dem ikke som fremmede og fik derfor ikke et celledræbende immunrespons. Bladene så sundere ud, fordi cellerne ikke døde.

"SOBER1s funktion er overraskende, fordi den holder inficeret væv i live, hvilket bringer planten i fare, " siger Chory, som også besidder Howard H. og Maryam R. Newman-stolen i plantebiologi på Salk. "Men vi er lige begyndt at forstå disse typer mekanismer, og der kan meget vel være forhold, hvor handlingerne fra SOBER1 er gavnlige."

Yderligere test viste, at aktiviteten og funktionen af ​​SOBER1 ikke er begrænset til ukrudtet Arabidopsis thaliana, men eksisterer også i en plante kaldet raps, der viser, at resultaterne af Chorys laboratorium kunne anvendes på landbrugsafgrøder og biobrændstofressourcer.

Bürger og Willige vil derefter gerne begynde at screene for kemiske inhibitorer, der kan blokere SOBER1, derved tillader planter at have et fuldt immunrespons på patogene bakterier.