La relación gen por gen es un concepto en fitopatología según el cual las plantas y sus enfermedades tienen genes únicos que interactúan entre sí durante una infección. Fue propuesto por Harold Henry Flor [1] [2] [3] [4] quien estaba trabajando con roya ( Melampsora lini ) de 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 del gen R específico son resistentes a un patógeno que produce el producto del gen 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 lo podemos ver con Lactuca serriola versus Bremia lactucae .
Clayton Oscar Person [6] fue el primer científico en estudiar las proporciones de patosistemas vegetales en lugar de las proporciones genéticas en 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 interacción diferencial de persona. [5]
Hay 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 NBS-LRR R 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 extracelular, yuxtamembrana, transmembrana e intracelular. [8] [9]
Dentro de la clase NBS-LRR de genes R hay dos subclases: [7]
Los productos proteicos codificados por esta clase de gen de resistencia se encuentran dentro del citoplasma de las células vegetales .
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.
Hay otras clases de genes R, como la clase LRR extracelular de genes R; los ejemplos incluyen el arroz Xa21D [12] para la resistencia contra Xanthomonas y los genes cf del tomate que confieren resistencia contra Cladosporium fulvum .
El gen de resistencia del 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 (que reconoce ciertos productos del gen Avr) la confieren las repeticiones ricas en leucina . Los LRR son repeticiones múltiples y en serie de un motivo de aproximadamente 24 aminoácidos de longitud, con leucinas u otros residuos hidrofóbicos a intervalos regulares. Algunos también pueden contener prolinas y argininas regularmente espaciadas . [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 que cambiara la especificidad del gen de resistencia por el gen de avirulencia. [14]
La mayoría de los genes de resistencia son autosómicos dominantes , pero hay algunos, sobre todo el gen mlo de la cebada , en los que la resistencia monogénica se confiere mediante alelos recesivos . mlo protege la cebada contra casi todos los patovares del mildiú polvoriento .
El término "gen de avirulencia" sigue siendo útil como 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 genético de avirulencia fue demostrado por primera vez por Gopalan et al 1996. Encontraron que la expresión artificial de avrB de Pseudomonas syringae en el huésped Arabidopsis producía muerte celular cuando se combinaba con la expresión del gen R del huésped , RPM1 . Este reconocimiento demostrado se estaba produciendo intracelularmente y no en la superficie. [15]
No existe una estructura común entre los productos del gen de avirulencia. Debido a que no habría ninguna ventaja evolutiva en que un patógeno mantuviera una proteína que solo sirve para que la planta la 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 pequeña proteína de triple hélice que, como muchos otros efectores, se dirige a la membrana plasmática mediante N-miristoilación. [16] AvrPto es un inhibidor de los dominios de quinasa PRR. Los PRR indican a las plantas que induzcan inmunidad cuando se detectan PAMP. [17] [18] La capacidad de apuntar a los receptores quinasas es necesaria para la función de virulencia de AvrPto en las plantas. Sin embargo, Pto es un gen resistente que puede detectar AvrPto y también inducir inmunidad. [19] AvrPto es un efector antiguo que se conserva en muchas cepas de P. syringae , mientras que el gen Pto R sólo 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 apuntar a AvrPto, convirtiendo un efector de virulencia en un efector de avirulencia.
A diferencia de la clase MAMP o PAMP de genes avr que son reconocidos por los PRR del huésped, los objetivos de las proteínas avr efectoras bacterianas parecen ser proteínas involucradas en la señalización de la inmunidad innata de las plantas , como se ha demostrado que los homólogos de los genes Avr en patógenos animales hacen esto. 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]
Sólo 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. Por el contrario, para 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 llevó a la formación de la hipótesis de la guardia para la clase de genes R NBS-LRR. [21]
Este modelo propone que las proteínas R interactúen, o protejan, 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 de Pseudomonas syringae que no tienen ninguna relación entre sí . La proteína guarda es RIN4, que está hiperfosforilada por las proteínas Avr. Otro estudio de alto perfil que respalda la hipótesis de la guardia muestra que el par RPS5 usa PBS1, una proteína quinasa como protección contra AvrPphB. [22]
Los estudios de dos híbridos de levadura sobre la interacción Pto/Prf/AvrPto del tomate mostraron que la proteína Avirulence, AvrPto, interactuaba directamente con Pto a pesar de que Pto no tenía un LRR. Esto convierte a Pto en la proteína guardee, 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 guardia. [23]