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Vía común de señalización de simbiosis

Vía simbiótica común: una presentación simplificada basada en McLean, Bravo y Harrison 2017
Vía simbiótica común: una presentación simplificada basada en McLean, Bravo y Harrison 2017
Un dominio LysM
Un dominio LysM

La vía de señalización de simbiosis común ( CSSP ) es una cascada de señalización en plantas que les permite interactuar con microbios simbióticos. Corresponde a una vía ancestral que las plantas utilizan para interactuar con hongos micorrízicos arbusculares (AMF) . Se conoce como "común" porque diferentes simbiosis evolutivas más jóvenes también utilizan esta vía, en particular la simbiosis de nódulos de la raíz con bacterias rizobias fijadoras de nitrógeno . La vía se activa tanto por la percepción del factor Nod (para rizobios formadores de nódulos ), como por la percepción del factor Myc que se liberan de AMF. La vía se distingue de las vías de reconocimiento de patógenos , pero puede tener algunos receptores comunes involucrados tanto en el reconocimiento de patógenos como en CSSP. Un trabajo reciente [1] de Kevin Cope y colegas mostró que las ectomicorrizas (un tipo diferente de micorrizas ) también utilizan componentes CSSP como el reconocimiento del factor Myc.

La colonización de AMF requiere la siguiente cadena [2] de eventos que pueden dividirse aproximadamente en los siguientes pasos:

1: Señalización previa al contacto

2: El CSSP

2: A: Percepción

2: B: Transmisión

2: C: Transcripción

3: El programa de alojamiento

Describir

Para reconocer con precisión el hilo de infección de una especie diferente de organismo y establecer una asociación mutuamente beneficiosa se requiere una señalización robusta. [3] Los hongos AM también son auxótrofos de ácidos grasos ; [4] [2] por lo tanto, dependen de una planta para el suministro de ácidos grasos. [5]

En la señalización pre-simbiótica, las plantas y los AMF liberan factores químicos en su entorno para que los socios puedan reconocerse y encontrarse entre sí. [6] Los exudados de las raíces de las plantas juegan un papel en la interacción microbiana compleja, [7] al liberar una variedad de compuestos, [7] [8] [9] entre los cuales se ha identificado la estrigolactona para facilitar tanto la colonización de AMF como la infección por patógenos. [8]

La falta de fosfato en las plantas induce la producción de estrigolactona , así como la colonización de AMF. [8] Las plantas liberan estrigolactona, una clase de hormona vegetal basada en carotenoide, que también atrae a los simbiontes fúngicos y estimula el metabolismo oxidativo fúngico junto con el crecimiento y la ramificación del socio fúngico. [2] La estrigolactona promueve la ramificación de hifas en las esporas de AMF en germinación y facilita la colonización. [9] [10]

La vía de señalización de simbiosis común se denomina así porque tiene componentes comunes para la simbiosis fúngica y la simbiosis rizobiana. La vía de señalización común probablemente evolucionó cuando la vía existente para las micorrizas arbusculares fue explotada por los rizobios. [2] [11]

La percepción ocurre cuando la planta detecta el factor Myc del hongo. Los factores Myc son comparables a los factores de inducción de los rizobios . Recientemente se ha revelado la naturaleza química de algunos factores Myc como lipo - quito - oligosacáridos ( Myc- LCOs ) y quito - oligosacáridos ( Myc- COs ) que funcionan como señales simbióticas. [10] [12] [13]

La presencia de estrigolactona mejora la producción de Myc- CO por AMF. [10]

El receptor del factor Myc ( MFR ) aún no está claro. Sin embargo, una proteína llamada DMI2 (o SYMRK ) tiene un papel destacado en el proceso de percepción y se cree que es un correceptor del MFR. Otras plantas, como el arroz, pueden emplear mecanismos diferentes utilizando Os CERK1 y Os CEBiP para detectar oligómeros de quitina. [2] [14] [15] Sin embargo, trabajos recientes han demostrado que el SYMRK del arroz es esencial para la simbiosis AM. [16]

La transmisión ocurre cuando la señal se transmite después de la detección al núcleo de la planta. Este proceso está mediado por dos nucleoporinas NUP85 y NUP133 , [11] Alternativamente, otra hipótesis dice que la HMG-CoA reductasa se activa en la percepción, que luego convierte la HMG-CoA en mevalonato. Este mevalonato actúa como un segundo mensajero y activa un canal nuclear de catión K+ ( DMI-1 o Pollux ). [2] [17] La ​​etapa de transmisión termina creando un 'pico de calcio' en el núcleo. [18]

La etapa de transcripción comienza cuando se activa una quinasa dependiente de calcio y calmodulina ( CCaMK) . [2] Esta quinasa estimula una proteína diana CYCLOPS . [2] CCaMK y CYCLOPS probablemente forman un complejo que junto con la proteína DELLA , regula la expresión génica de RAM1 ( Reduced Arbuscular Mycorrhyza1 ). [2]

El proceso de acomodación implica una remodelación extensa de las células corticales del huésped. Esto incluye la invaginación del plasmalema del huésped, la proliferación del retículo endoplasmático , el aparato de Golgi , la red trans-Golgi y las vesículas secretoras . Los plástidos se multiplican y forman “estrómulos”. Las vacuolas también sufren una reorganización extensa. [11]

La señalización previa al contacto

La señalización química comienza antes de que los dos simbiontes entren en contacto. Desde el lado de la planta huésped, sintetiza y libera una variedad de fitohormonas basadas en caroteinoides, llamadas estrigolactonas. [2] Tienen una estructura de lactona tricíclica conservada también conocida como anillos ABC . [19] La biosíntesis de estrigolactona ocurre principalmente en plástidos, [20] donde D27 (Rice DWARF 27 ; ortólogo de Arabidopsis ATD27 ), una beta-caroteno isomerasa que se une al hierro, trabaja aguas arriba de la biosíntesis de estrigolactona. [20] Luego, la enzima dioxigenasa de escisión de carotenoides CCD7 y CCD8 modifica la estructura, que tiene los siguientes ortólogos:

Se informa que la hidrolasa de pliegue alfa/beta D3 y también D14L ( similar a D14 ) (la última tiene un ortólogo de Arabidopsis, KAI2 , o KARRIKIN INSENSITIVE-2 ) tienen funciones importantes en la simbiosis micorrízica, [21] en particular, D3 , D14 y D14L se localizan en el núcleo. [2]

NOPE1 o ' NO PERCEPTION 1' , es una proteína transportadora presente en el arroz ( Oryza sativa ) y el maíz ( Zea mays ), también necesaria para la etapa de preparación para la colonización por parte del hongo. NOPE1 es un miembro de la superfamilia de proteínas transportadoras de facilitadores mayores, capaces de transportar N-acetilglucosamina. Dado que los exudados de las raíces de los mutantes nope1 no logran generar respuestas transcripcionales en los hongos, parece firmemente que NOPE1 secreta algo (aún no caracterizado) que promueve la respuesta fúngica. [22]

Percepción

Estructura química de una molécula de LipoChitoOligosacárido
La estructura química de MycRi-IV (C16:0,S), un factor Myc de Rhizophagus irregularis, como se indica en Maillet, F et al . (2011) "Fungal lipochitooligosaccharide symbiotic signals in arbuscular mycorrhiza". Nature 469: 58–63. El factor fue identificado por primera vez por Fabienne Maillet y colaboradores en un trabajo innovador publicado en Nature, donde extrajeron trescientos litros de raíces de zanahoria micorrizadas y exudados de 40 millones de esporas germinantes de Rhizophagus irregularis y purificaron la fracción activa. Demostraron que este principio activo es lipo-chito-oligosacárido en la naturaleza.

Existen dos tipos principales de simbiosis radicular: una es la simbiosis de nódulos radiculares por Rhizobia ( tipo RN ) y otra es la micorriza arbuscular ( tipo AM ). Existen genes comunes involucrados entre estas dos vías. [23] Estos componentes comunes clave forman la vía de simbiosis común (CSP o CSSP). [23] Se ha propuesto que la simbiosis RN se originó a partir de la simbiosis AM. [11] La percepción de la presencia del simbiótico fúngico se produce principalmente a través de secreciones químicas fúngicas generalmente denominadas factores Myc. Los receptores para los factores Myc aún no se han identificado. Sin embargo, DMI2/SYMRK probablemente actúa como un correceptor del receptor del factor Myc (MFR). Los materiales secretados por hongos AM relevantes para la simbiosis son Myc -LCOs , Myc- COs , N-acetilglucosamina [2] [24]

Moléculas fúngicas que desencadenan CSSP

Mi c-LCO (lipoquitooligosacáridos)

Al igual que los LCO rhizobiales (factores Nod), los Myc -LCO desempeñan un papel importante en la etapa de percepción. Son un tipo de compuestos secretados por los hongos AM, principalmente mezclas de lipo - quito - oligosacáridos ( Myc -LCO) . En Lotus japonicus , LYS11 , un receptor para LCO , se expresó en células de la corteza de la raíz asociadas con hongos micorrízicos arbusculares colonizadores intrarradicales [24].

Oligómeros de quitina de cadena corta (Mi c-CO)

Las plantas hospedantes de AM muestran ondas de calcio activadas simbióticamente tras la exposición a oligómeros de quitina de cadena corta . Se ha informado que la producción de estas moléculas por el hongo AM Rhizophagus irregularis se estimula fuertemente tras la exposición a estrigolactonas. [2] Esto sugiere que las plantas secretan estrigolactonas y, en respuesta, el hongo aumenta los oligómeros de quitina de cadena corta, lo que a su vez provoca la respuesta de la planta para adaptarse al hongo. Se cree que el dominio del motivo de lisina de Os CERK1 y Os CEBiP está involucrado en la percepción de oligómeros de quitina de cadena corta. [2]

N-acetilglucosamina

NOPE-1 es un transportador (descrito anteriormente). NOPE-1 también muestra una fuerte actividad de captación de N-acetilglucosamina y se cree que está asociado con el reconocimiento de la presencia de hongos simbiontes. [2]

Se sospecha que algunas proteínas vegetales reconocen factores Myc, y la quinasa similar al receptor del motivo de lisina CERK1 ( LysM ) del arroz es una de ellas. [15]

Receptores de la superficie celular

Diferentes familias de receptores LYSM
Diferentes familias de receptores LYSM
Algunos genes SYM responden tanto a la simbiosis RN como a la AM. Algunas variantes responden exclusivamente a un tipo de simbiosis.
Algunos genes SYM responden tanto a la simbiosis RN como a la AM. Algunas variantes responden exclusivamente a un tipo de simbiosis.

Existen múltiples familias de receptores y correceptores de reconocimiento de patrones que participan en el reconocimiento de patógenos microbianos y simbiontes. Algunas de las familias relevantes involucradas en CSSP son las LysM unidas a membrana ( LYM ), las proteínas solubles similares al receptor LysM, LYK (receptores LysM con dominio quinasa activo), LYR (proteínas LysM con dominio quinasa inactivo), etc.

Aparentemente, diferentes combinaciones de receptores LYK y LYR perciben y generan señales diferenciales, como algunas combinaciones generan una señal de reconocimiento de patógenos mientras que otras combinaciones generan señales simbióticas. [25] [26] [27] [28]

Quinasas similares a receptores (RLK)

DMI2/SYMRK es una quinasa similar a un receptor, una proteína importante en la percepción de señales de endosimbiosis, reportada en varias plantas ( Mt- DMI2 o Mt- NORK en Medicago trancatula ; Lj- SYMRK en Lotus japonicas; Ps- SYM19 en Pisum sativum; Os SYMRK en Rice). Os SYMRK carece de un dominio N-terminal y regula exclusivamente la simbiosis AM (no está involucrada en la simbiosis RN). [29] Notablemente, se ha encontrado que un gen inducible por el factor Nod, MtENOD11 , se activa en presencia de exudados de AMF; poco se sabe sobre este fenómeno. [30] [31]

Quinasa similar al receptor LysM

Las quinasas similares al receptor con motivo de lisina (LysM) son una subfamilia relacionada con las quinasas similares al receptor unidas a la membrana (RLK) con una región extracelular que consta de 3 motivos de lisina . Tienen algunos ortólogos importantes en diferentes plantas, que varían en su función . En algunas especies de plantas están involucradas en la simbiosis AM, en otras no. El tomate ( Solanum lycopersicum ), una eudicotiana no leguminosa , también tiene un receptor LysM similar, Sl LYK10 que promueve la simbiosis AM. Hay algunos correceptores del receptor del factor Myc, a saber, Os CEBiP en el arroz, una proteína de membrana LysM puede funcionar como correceptor de Os CERK1 pero participa en una vía diferente. [32] [33] [34]

La mayoría de estas quinasas son serina/treonina quinasas , algunas son tirosina quinasas . [27] Además, son proteínas transmembrana tipo 1 , lo que indica que su dominio N-terminal está hacia el exterior de la célula y el dominio C-terminal está hacia el interior de la célula. [27]

Los receptores de la superficie celular pueden funcionar de manera diferente en diferentes combinaciones. El mismo receptor puede realizar múltiples funciones. Por ejemplo, el receptor CERK1 de Oryza sativa puede desencadenar una respuesta PTI (inmunidad desencadenada por patógenos) con CEBiP de Oryza sativa como correceptor; en presencia del quitooligosacárido CO8. Mientras que el mismo receptor CERK1 puede desempeñar un papel en el reconocimiento de la señal simbiótica, en presencia del quitooligosacárido CO4, utilizando SYMRK como correceptor.

Transmisión

La transmisión de las cascadas de señales hacia el núcleo no se entiende bien. Sin embargo, esta transmisión incluye el transporte del mensaje hasta la membrana nuclear y la generación de una onda de calcio. [35] Algunos elementos que intervienen en este proceso son:

Nucleoporinas

Las nucleoporinas Lj NUP85 y Lj NUP133 de Lotus japonicus tienen un papel potencial en la transmisión de la señal. [36] Lj -NENA es otra nucleoporina importante que desempeña un papel en la simbiosis AM. [29]

HMGR y Mevalonato. 

Se ha propuesto que la enzima 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA reductasa ( HMG CoA reductasa o HMGR ) tiene un papel potencial en la etapa de transmisión. La enzima es activada por SYMRK/DMI2 y forma mevalonato. [37] [38] Este mevalonato actúa como un segundo mensajero y activa un canal nuclear de potasio, DMI1 o POLLUX . [38]

Canales catiónicos de la membrana nuclear. 

El canal de calcio nuclear CNGC15 , que es un canal iónico regulado por nucleótidos cíclicos, media la entrada simbiótica de Ca 2+ nuclear y es contrarrestado por el eflujo de K + por DMI1. [37]

Transcripción

La calmodulina es una proteína reguladora muy extendida que funciona junto con el Ca 2+ en varios procesos biológicos. En la señalización de simbiosis AM, modula la CCaMK . [37]   La ​​CCaMK o DMI3 es una quinasa dependiente de calcio y calmodulina ( CCaMK ) que se cree que es un decodificador clave de las oscilaciones del Ca 2+ y una proteína quinasa reguladora importante. La activación nuclear del Ca 2+ promueve la unión de la calmodulina de Ca 2+ con la CCaMK . [37] La ​​unión de la calmodulina de Ca 2+ con la CCaMK provoca un cambio conformacional de la CCaMK que estimula una proteína diana, CYCLOPS, que tiene diferentes ortólogos. [37] CYCLOPS es una proteína que contiene un dominio de bobina enrollada [37] que posiblemente forme un complejo con la CCaMK [37] que funciona junto con las proteínas DELLA . Las proteínas DELLA son un tipo de proteína de dominio GRAS originalmente identificada como represora de la vía de señalización de la giberelina, sin embargo ahora se ve que DELLA participa en muchas vías de señalización. [40]   Hay dos proteínas DELLA en Medicago trancatula y Pisum sativum que juegan un papel en la simbiosis mientras que en el arroz solo una proteína DELLA cumple esta tarea. [37] La ​​micorriza arbuscular reducida o RAM1 [37] es una proteína GRAS [41] cuyo gen está regulado directamente por DELLA y CCaMK/CYCLOPS . [37] Mediante el uso de ensayos de inmunoprecipitación de cromatina , se ha demostrado que RAM1 se une al promotor del gen RAM2 . [37] RAM1 también regula muchos de los genes de la planta que participan en la acomodación de AMF.

Algunas proteínas GRAS desempeñan un papel en la simbiosis AM, pero estos papeles aún no se comprenden por completo. Entre ellas se encuentran RAM1 , RAD1 (REQUERIDO PARA EL DESARROLLO DE ARBUSCULOS 1 ), MIG1 (GRAS INDUCIDO POR MICORRIZAS 1 ), NSP1 y NSP2 . [42] Se cree que los genes del factor de transcripción WRKY desempeñan papeles muy importantes en el establecimiento de la simbiosis micorrízica y tal vez funcionen regulando los genes de defensa de las plantas. [43]

El programa de alojamiento

Las células de la corteza de la raíz experimentan cambios importantes para adaptarse al endosimbionte fúngico. El aparato de prepenetración (PPA) en las capas celulares externas y la membrana periarbuscular que rodea los arbúsculos en las capas celulares internas deben formarse y el citoplasma de la célula vegetal debe reorganizarse, [36] la vacuola se retrae en tamaño, el núcleo y el nucléolo aumentan de tamaño y la cromatina se descondensa, lo que indica una mayor actividad transcripcional. [36] Los plástidos se multiplican y permanecen conectados con el “estrómulo”. [36] Además, se sugirió que el crecimiento longitudinal apoplástico de las hifas probablemente esté regulado por genes vegetales como taci1 y CDPK1 . [44]

Genes y proteínas que juegan un papel en el programa de acomodación

Aunque se han identificado varias proteínas que pueden desempeñar un papel en cómo ocurre este proceso de acomodación, la cascada de señalización detallada no se entiende completamente. Algunas de las proteínas y mecanismos involucrados en la deposición en la membrana periarbuscular son el complejo EXOCYST, la subunidad EXO70 , una variante de empalme específica de simbiosis de SYP132 , VAPYRIN y dos variantes de VAMP721 . [37] Las enzimas vegetales FatM y RAM2 [45] y el transportador ABC STR/STR2 están supuestamente involucrados en la síntesis y suministro de un lípido 16:0 β-monoacilglicerol a los hongos AM. [45] [46] Las quinasas descubiertas recientemente que regulan el programa de acomodación de AMF incluyen ADK1 , [47] AMK8 , AMK24 , [48] ARK1 [49] y ARK2 . [50]

La composición proteica de la membrana periarbuscular es muy diferente a la de la membrana plasmática. Incluye algunos transportadores especiales como los transportadores de fosfato ( Mt -PT4 , Os -PT11 , Os -PT13 ) y transportadores de amonio ( Mt -AMT2 y 3 ). También incluye transportadores ABC como STR/STR2 supuestamente involucrados en el transporte de lípidos. [37] [51]

Importancia evolutiva

Los hongos AM y las plantas coevolucionaron y desarrollaron una interacción muy compleja que permite a la planta adaptarse al huésped hongo AM. [52] [53] [54] Se ha propuesto que la simbiosis RN se originó a partir de la simbiosis AM. [36] [29]

Véase también

Referencias

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