La relación gen por gen es un concepto en patología vegetal según el cual las plantas y sus enfermedades tienen genes individuales que interactúan entre sí durante una infección. Fue propuesta por Harold Henry Flor [1] [2] [3] [4], quien trabajaba con la roya ( Melampsora lini ) del lino ( Linum usitatissimum ). Flor demostró que la herencia tanto de la resistencia en el huésped como de la capacidad del parásito para causar enfermedades está controlada por pares de genes coincidentes. Uno es un gen vegetal llamado gen de resistencia ( R ) . El otro es un gen del parásito llamado gen de avirulencia ( Avr ). Las plantas que producen un producto génico R específico son resistentes a un patógeno que produce el producto génico Avr correspondiente . [5] Las relaciones gen por gen son un aspecto generalizado y muy importante de la resistencia a las enfermedades de las plantas . Otro ejemplo se puede ver con Lactuca serriola versus Bremia lactucae .
Clayton Oscar Person [6] fue el primer científico que estudió las proporciones de patosistemas de plantas en lugar de las proporciones genéticas en los sistemas huésped-parásito. Al hacerlo, descubrió la interacción diferencial que es común a todas las relaciones gen por gen y que ahora se conoce como la interacción diferencial de Person. [5]
Existen varias clases diferentes de genes R. Las clases principales son los genes NBS-LRR [7] y los receptores de reconocimiento de patrones de superficie celular (PRR). [8] Los productos proteicos de los genes R NBS-LRR contienen un sitio de unión de nucleótidos (NBS) y una repetición rica en leucina (LRR). Los productos proteicos de los PRR contienen dominios de quinasa no RD extracelulares, yuxtamembrana, transmembrana e intracelulares. [8] [9]
Dentro de la clase NBS-LRR de genes R hay dos subclases: [7]
Los productos proteicos codificados por esta clase de genes de resistencia se encuentran dentro del citoplasma de la célula vegetal .
La clase PRR de genes R incluye el gen de resistencia XA21 del arroz que reconoce el péptido ax21 [10] [11] y el péptido FLS2 de Arabidopsis que reconoce el péptido flg22 de la flagelina.
Existen otras clases de genes R, como la clase LRR extracelular de genes R; los ejemplos incluyen el Xa21D del arroz [12] para la resistencia contra Xanthomonas y los genes cf del tomate que confieren resistencia contra Cladosporium fulvum .
El gen de resistencia al tomate de Pseudomonas (Pto) pertenece a una clase propia. Codifica una quinasa Ser/Thr pero no tiene LRR. Requiere la presencia de un gen NBS-LRR vinculado, prf , para su actividad.
Se cree que la especificidad del gen R (reconocimiento de ciertos productos del gen Avr) se debe a las repeticiones ricas en leucina . Las LRR son repeticiones múltiples y seriadas de un motivo de aproximadamente 24 aminoácidos de longitud, con leucinas u otros residuos hidrofóbicos a intervalos regulares. Algunas también pueden contener prolinas y argininas espaciadas regularmente . [13]
Los LRR participan en las interacciones proteína-proteína, y la mayor variación entre los genes de resistencia se produce en el dominio LRR. Los experimentos de intercambio de LRR entre genes de resistencia en la roya del lino dieron como resultado un cambio en la especificidad del gen de resistencia para el gen de avirulencia. [14]
La mayoría de los genes de resistencia son autosómicos dominantes , pero hay algunos, en particular el gen mlo en la cebada , en el que la resistencia monogénica es conferida por alelos recesivos . El mlo protege a la cebada contra casi todos los patotipos del mildiú polvoroso .
El término "gen de avirulencia" sigue siendo útil como un término amplio que indica un gen que codifica cualquier determinante de la especificidad de la interacción con el huésped. Por lo tanto, este término puede abarcar algunas firmas microbianas conservadas, también llamadas patrones moleculares asociados a patógenos o microbios (PAMP o MAMP), y efectores de patógenos (por ejemplo, efectores bacterianos de tipo III y efectores de oomicetos), así como cualquier gen que controle la variación en la actividad de esas moléculas. [10]
El reconocimiento intracelular de un producto génico de avirulencia fue demostrado por primera vez por Gopalan et al. en 1996. Encontraron que la expresión artificial de avrB de Pseudomonas syringae en la Arabidopsis huésped producía muerte celular cuando se combinaba con la expresión del gen R huésped , RPM1 . Esto demostró que el reconocimiento se producía intracelularmente y no en la superficie. [15]
No existe una estructura común entre los productos de los genes avirulentos. Como no habría ninguna ventaja evolutiva en que un patógeno mantuviera una proteína que sólo sirve para que la planta lo reconozca, se cree que los productos de los genes Avr desempeñan un papel importante en la virulencia en huéspedes genéticamente susceptibles.
Ejemplo: AvrPto es una proteína pequeña de triple hélice que, como varios otros efectores, se dirige a la membrana plasmática por N-miristoilación. [16] AvrPto es un inhibidor de los dominios quinasa PRR. Los PRR envían señales a las plantas para que induzcan inmunidad cuando se detectan PAMP. [17] [18] La capacidad de dirigirse a las quinasas receptoras es necesaria para la función de virulencia de AvrPto en las plantas. Sin embargo, Pto es un gen resistente que puede detectar AvrPto e inducir inmunidad también. [19] AvrPto es un efector antiguo que se conserva en muchas cepas de P. syringae , mientras que el gen Pto R solo se encuentra en unas pocas especies de tomates silvestres. [18] Esto sugiere una evolución reciente del gen Pto R y la presión para evolucionar para dirigirse a AvrPto, convirtiendo un efector de virulencia en un efector de avirulencia.
A diferencia de los genes avr de la clase MAMP o PAMP que son reconocidos por los PRR del huésped, los objetivos de las proteínas avr efectoras bacterianas parecen ser proteínas involucradas en la señalización de inmunidad innata de las plantas , como se ha demostrado que hacen los homólogos de los genes Avr en patógenos animales. Por ejemplo, la familia de proteínas AvrBs3 posee dominios de unión al ADN , señales de localización nuclear y dominios de activación ácida y se cree que funciona alterando la transcripción de la célula huésped. [20]
Solo en algunos casos existe interacción directa entre el producto del gen R y el producto del gen Avr. Por ejemplo, tanto FLS2 como XA21 interactúan con los péptidos microbianos. En cambio, en el caso de la clase NBS-LRR de genes R, no se ha demostrado interacción directa para la mayoría de los pares R/avr. Esta falta de evidencia de una interacción directa condujo a la formación de la hipótesis de protección para la clase NBS-LRR de genes R. [21]
Este modelo propone que las proteínas R interactúan, o protegen, a una proteína conocida como guardee, que es el objetivo de la proteína Avr. Cuando detecta interferencia con la proteína guardee, activa la resistencia.
Varios experimentos apoyan esta hipótesis, por ejemplo, el gen Rpm1 en Arabidopsis thaliana es capaz de responder a dos factores de avirulencia completamente no relacionados de Pseudomonas syringae . La proteína guardee es RIN4, que es hiperfosforilada por las proteínas Avr. Otro estudio de alto perfil que apoya la hipótesis de la guardee muestra que el par RPS5 utiliza PBS1, una proteína quinasa como guardee contra AvrPphB. [22]
Los estudios de dos híbridos de levadura de la interacción Pto/Prf/AvrPto del tomate mostraron que la proteína de avirulencia, AvrPto, interactuó directamente con Pto a pesar de que Pto no tiene un LRR. Esto hace que Pto sea la proteína guardada, que está protegida por la proteína NBS-LRR Prf. Sin embargo, Pto es un gen de resistencia por sí solo, lo que es un argumento en contra de la hipótesis de la guarda. [23]