РЕАКЦИЯ РАСТЕНИЙ НА БИОТИЧЕСКИЙ СТРЕСС: СТАРЫЕ ВОСПОМИНАНИЯ ИМЕЮТ ЗНАЧЕНИЕ

Реакция растений на биотический стресс: старые воспоминания имеют значение

Анирбан Бхар

Амрита Чакраборти

Амит Рой

Растения — удивительные организмы, присутствующие в большинстве экосистем, и модельная система для изучения различных аспектов экологических взаимодействий на Земле. В окружающей среде растения постоянно сталкиваются с множеством абиотических и биотических стрессов. Феномен нулевого уклонения делает их более устойчивыми к таким неблагоприятным факторам окружающей среды. Растения борются с биотическим стрессом или проникновением патогенов с помощью сложной координации внутриклеточных сигнальных каскадов. Взаимодействие растений и микробов в первую очередь зависит от приобретенного иммунного ответа из-за отсутствия каких-либо специализированных иммуногенных клеток для адаптивного иммунного ответа. Генерация иммунной памяти в основном осуществляется Т-клетками в рамках гуморального иммунного ответа у животных. Недавние огромные успехи в нашем понимании эпигенетических регуляций у растений вновь вызывают теорию «памяти растений». Текущие инновации в передовых геномных инструментах выявили геномные изменения, связанные со стрессом, и укрепили идею межпоколенческой памяти у растений. У растений события, сигнализирующие о стрессе, передаются в виде геномных отпечатков в последовательных поколениях даже без какого-либо стресса. Такая иммуногенная подготовка растений к биотическим стрессам имеет решающее значение для их экоэволюционного успеха. Тем не менее, существует ограниченное количество литературы, отражающей современные знания о трансгенерационной памяти растений, усиливающей реакцию на биотический стресс. В этом контексте в настоящем обзоре основное внимание уделяется общей концепции памяти у растений, последним достижениям в этой области и всесторонним последствиям для устойчивости к биотическому стрессу с перспективой на будущее. События, сигнализирующие о стрессе, передаются в виде геномных отпечатков в последующих поколениях даже без какого-либо стресса. Такая иммуногенная подготовка растений к биотическим стрессам имеет решающее значение для их экоэволюционного успеха. Тем не менее, существует ограниченное количество литературы, отражающей современные знания о трансгенерационной памяти растений, усиливающей реакцию на биотический стресс. В этом контексте в настоящем обзоре основное внимание уделяется общей концепции памяти у растений, последним достижениям в этой области и всесторонним последствиям для устойчивости к биотическому стрессу с перспективой на будущее. События, сигнализирующие о стрессе, передаются в виде геномных отпечатков в последующих поколениях даже без какого-либо стресса. Такая иммуногенная подготовка растений к биотическим стрессам имеет решающее значение для их экоэволюционного успеха. Тем не менее, существует ограниченное количество литературы, отражающей современные знания о трансгенерационной памяти растений, усиливающей реакцию на биотический стресс. В этом контексте в настоящем обзоре основное внимание уделяется общей концепции памяти у растений, последним достижениям в этой области и всесторонним последствиям для устойчивости к биотическому стрессу с перспективой на будущее. имеется ограниченная литература, отражающая современные знания о трансгенерационной памяти растений, усиливающих реакцию на биотический стресс. В этом контексте в настоящем обзоре основное внимание уделяется общей концепции памяти у растений, последним достижениям в этой области и всесторонним последствиям для устойчивости к биотическому стрессу с перспективой на будущее. имеется ограниченная литература, отражающая современные знания о трансгенерационной памяти растений, усиливающих реакцию на биотический стресс. В этом контексте в настоящем обзоре основное внимание уделяется общей концепции памяти у растений, последним достижениям в этой области и всесторонним последствиям для устойчивости к биотическому стрессу с перспективой на будущее.

Ключевые слова: абиотический стресс ; биотическое взаимодействие ; эпигенетическая модификация ; гистон ; грунтовка ; стрессовая память ; трансгенерационный иммунный прайминг

1. Введение

Организационные паттерны растений сильно различаются в зависимости от их среды обитания и фенотипической сложности. В ходе эволюции растения беспрепятственно выдерживают изменения окружающей среды и испытывают множество биотических и абиотических ограничений. Биотические вмешательства в основном связаны с патогенезом, вызванным бактериями, грибами, вирусами и т. Д. Большинство этих патогенных микроорганизмов также развиваются вместе с их растениями-хозяевами. Эта эволюционная гонка вооружений постоянно формировала генетический состав как растений-хозяев, так и родственных им патогенов. В отличие от других высших эукариотических организмов, растения содержат очень большое количество некодирующей ДНК в виде повторяющихся участков с высоким содержанием GC [ 1 ].]. Гибкая упаковка ДНК с гистоновым ядром для формирования функциональной хромосомы позволяет ядру нуклеосомы гибко перемещаться по цепочке ДНК и позволяет транскрипционному аппарату экспрессировать заданные части ДНК. Этот транскрипционный контроль может быть значительно изменен эпигенетической модификацией гистоновых белков [ 2 ]. Во многих патосистемах наблюдается значительный индуцированный патогенами эпигенетический контроль генной регуляции. Недавно также было доказано, что эти эпигенетические метки также могут передаваться следующему поколению как «трансгенерационная память» [ 3 ]. Измененные условия, вызванные патогенами, также переносятся на незатронутые ткани растений, чтобы подготовить их к будущим инфекциям, что называется праймингом [ 4 ].]. Эта подготовка может быть временной или постоянной, в зависимости от интенсивности и частоты инфекции. Иногда это праймирование также происходит с помощью некоторых связанных с защитой метаболитов или антимикробных белков [ 5 ].

Из-за сидячей природы растений и отсутствия мобильных защитных клеток, т. е. гуморальный иммунный ответ, растения полагаются прежде всего на сложные защитные сигнальные события, которые включают генетическое и метаболическое перепрограммирование в ответ на любую патогенную атаку. Хотя многие сложные сети взаимодействия генов были хорошо задокументированы у разных растений в ответ на различные патогены, процесс трансгенерационной передачи защитных сигналов у растений в основном неуловим на сегодняшний день. Разгадка загадки иммунной памяти у растений является новой интересной темой, способной раскрыть многие неизвестные тайны иммунологии растений, что внесет огромный вклад в развитие устойчивой устойчивости растений. В контексте, в настоящем обзоре особое внимание уделяется различным аспектам генерации иммуногенной памяти у растений и последним достижениям в понимании иммунитета растений в отношении трансгенерационной иммунной памяти. В нем также обобщаются проблемы и будущие перспективы этой области исследований в области развития патофизиологии растений.

2. Стрессовая память у растений

Честер впервые постулировал концепцию иммуногенной памяти у растений в 1933 г. и описал физиологические эффекты индуцированного иммунитета растений [ 6 ]. Хотя концепция была старой, интеграция концепции памяти в иммуногенные реакции началась в конце 1990-х и начале 2000-х годов [ 7 ]. Фактический молекулярный механизм стрессовой памяти все еще развивается каждый день. Память в основном обозначает опыт любого живого организма в особой ситуации, хранит эту информацию и коллективно вспоминает ее в любых будущих обстоятельствах, если это необходимо. Высшие животные хранят память в клетках мозга, где она хранится и пропитывается на протяжении всей их жизни.

В качестве альтернативы наличие специализированных иммунных клеток и гуморальный иммунный ответ у высших животных может легко сохранять память о стрессе в виде иммуногенных клеток памяти. Развитие памяти у растений ставится под сомнение, поскольку у растений нет организованного мозга и нервной системы. Кроме того, растения не обладают мобильными клетками-защитниками, а в первую очередь зависят от адаптивного иммунитета для защиты от любого стрессового фактора. Развитие памяти в отношении любых подобных ситуаций у растений является давно обсуждаемым вопросом, но в последнее время в картину вступает развитие стрессовой памяти у растений различными путями [ 8 ].]. Хотя весь механизм генерации стрессовой памяти у растений до конца не ясен, первичный механизм генетической маркировки документирован различными способами. Наиболее хорошо изученной областью в понимании стрессовой памяти растений являются эпигенетические регуляции. Эпигенетические маркировки и модификации гистонов играют важную роль в регуляции генов и контроле экспрессии. Многие стрессы, включая биотические и абиотические стрессовые факторы, вызывают модификации гистонов [ 9 ].]. Эпигенетический контроль стресса растений при различных биотических воздействиях обсуждается далее в этой статье. После успешного распознавания патогенов или биотического стресса основные изменения внутри клеточной среды сигнализируют о перепрограммировании. Индукторы такой измененной передачи сигнала различаются в зависимости от патогенов и ассоциированных эффекторных молекул. Как правило, первая линия защиты инициируется изменением индукции ионов кальция (Ca 2+ ) и образованием активных форм кислорода (АФК) независимо от типа патогена [ 10 ]. Модифицированное окислительно-восстановительное состояние клеточного цитозоля приводит к измененным модуляциям транскрипции и клеточной передаче сигналов для достижения устойчивости [ 11 ].]. Многие из этих генных регуляций контролируются фосфорилированием и дефосфорилированием, которые могут возникать во многих случаях резистентности, таких как память. Данные фосфопротеома у арабидопсиса показали, что MYC2 и MYC3 функционируют как ключевые регуляторы реакции на биотический стресс в передаче сигналов жасмоновой кислоты (JA) [ 12 ]. Роль гормональных перекрестных помех оказывает огромное влияние на адаптацию к биотическому стрессу у различных растений, и это было прекрасно рассмотрено Aerts et al. [ 13 ].

Как упоминалось ранее, цитозольные концентрации Ca 2+ ([Ca 2+ ] Cyt ) значительно колеблются из-за нескольких патогенов и абиотических факторов. Было доказано, что предварительная обработка ослабленным биотическим или абиотическим стрессом может вызвать «кальциевую память» в цитозоле. Такие сигнатуры кальция могут индуцировать экспрессию генов, связанных со стрессом, и повышать толерантность [ 14 ]. Каскады киназ MAP также оказывают значительное влияние на адаптацию к биотическому стрессу. Участие RAS-индуцированных внеклеточных регулируемых сигналом киназ/митоген-активируемых протеинкиназ (ERKs/MAPKs) в пластичности развития нейронов и синапсов, наряду с памятью, хорошо доказано у челюстных животных [ 15 ].]. Влияние каскадов МАРК на развитие памяти у растений до сих пор неосязаемо. Однако было замечено, что MAPK3, MAPK4, MAPK6 и MAPK11 участвуют во врожденном иммунном ответе у арабидопсиса вместе с транскрипционными факторами WRKY [ 16 ]. События защитных сигналов с помощью MAPK сложны и содержат обширную информацию в биотическом взаимодействии растений. Однако их связь с генерацией иммунной памяти должна быть пересмотрена для заполнения пробела и решения загадки иммунной памяти у растений.

3. Иммунитет растений и иммунная память

3.1. Архитектура иммунной системы растений

Иммунная система растений представляет собой сложную организацию различных внутриклеточных сигнальных событий, и ее очень трудно обобщить в общих путях, поскольку реакции варьируются от вида к виду. Классическая «зигзагообразная модель» — первая предложенная базовая модель иммунной системы растений, описывающая гонку вооружений между хозяевами и патогенами [ 17 ].]. У каждого патогена есть характерная молекула, которая помогает хозяевам идентифицировать широкую категорию патогенов, называемых микробно-ассоциированными молекулярными паттернами (МАМП) или патоген-ассоциированными молекулярными паттернами (ПАМП), например, хитин, присутствующий в материалах клеточных стенок всех грибковых патогенов и flg22 присутствует у жгутиковых бактериальных патогенов. Растение-хозяин также обладает родственными рецепторами для этих MAMP/PAMP, обозначенными как рецепторы распознавания образов (PRR). PRR сначала распознают патогены путем успешного взаимодействия с MAMP / PAMP, и инициируется самая первая линия защитного ответа, которая называется PAMP-триггерным иммунитетом (PTI) (или MAMP-триггерным иммунитетом (MTI). Реакция PTI у растений характеризуется Ca Приток 2+ в клетки и образование АФК [ 18 ] .накопление во многих случаях индуцирует оксидазу респираторного взрыва (RBOH) для создания непрерывного снабжения АФК, что приводит к окислительному взрыву [ 19 ]. Эти окислительные всплески часто связаны с гиперчувствительной реакцией (HR), опосредованной гибелью клеток у растений, но активация врожденного механизма очистки может также привести к характерным АФК для передачи сигнала [ 11 , 20 ].]. Импульс PTI изначально ограничивает проникновение патогена, но если патоген выживает против этой брони, продуцируя специфические токсины или эффекторы, происходит последующее снижение иммунного ответа, что называется восприимчивостью, запускаемой эффектором (ETS). Эффекторы представляют собой продукты гена авирулентности (Avr) патогенов, и они подвергаются воздействию специфической мишени в организме хозяина. Токсины могут быть специфичными для хозяина или неспецифическими для хозяина типами. Многие специфичные для хозяина токсины (HST) продуцируются Alternaria sp., например, AM-токсины I, II и III, продуцируемые Alternaria mali , AF-токсины I, II и III A. alternata , AK-токсины I и II A. kikuchiana. , токсин ACR от A. citri и токсин AAL Ta и Tb отА. альтернатива f. сп. lycopersici [ 21 ]. Вместо этого многие виды Fusarium продуцируют фузариновую кислоту как потенциальный микотоксин [ 22 ]. Кроме того, F. oxysporum f. сп. cubense , как сообщается, также производит боверицин в бананах во время инфекции [ 23 ].]. Чтобы защитить себя от вредного воздействия патотоксинов, многие растения обладают геном «R» (ген устойчивости), который может производить антитоксины для нейтрализации этих потенциальных токсинов. Это вызовет вторую волну защитных сигналов, называемую эффекторным иммунитетом (ETI). ETI запускает те же события, что и во время PTI, но величина защиты больше, чем у PTI. Напротив, ETI представляет собой более сильный и специфический ответ устойчивости к патогенам. Первоначально считалось, что PTI и ETI были совершенно двумя разными наборами реакций с различными событиями во взаимодействии хозяина и микроба, но постоянное раскрытие физиологических событий этих двух иммунных реакций постепенно стирало четкое различие [ 24 ].]. Эволюция и разнообразие гена R у растений огромны и интересны для изучения. Часто патогены атакуют совершенно новыми наборами токсинов, чтобы снова уступить хозяину, и в результате ETS повторяется. Если растение изображает другой родственный набор R-генов против этих новых эффекторов, то растения выживают; в противном случае болезнь распространяется. Следовательно, эта гонка вооружений между хозяином и патогеном продолжается до тех пор, пока один успешно не ставит под угрозу другого ( рис. 1 ). Вышеупомянутое взаимодействие R-Avr и быстрое развитие технологии генной инженерии определили роль множества генов устойчивости и использовали их в нескольких мероприятиях по улучшению урожая [ 25 ]. Платформы для секвенирования генома следующего поколения позволяют собирать весь геном сельдерея (Apiumgraveolens ), который продемонстрировал значительное количество генов NBS R в геноме [ 26 ]. Генетический полиморфизм играет решающую роль в параметрах взаимодействия растений с их патогенными микробами. По этой причине в настоящее время считается, что генетическая основа устойчивости растений выходит за рамки классической гипотезы «ген за геном» и опирается на сложные семейства генов, а не на один ген [ 27 ].

Рисунок 1. Схематическое изображение иммунного ответа растений против патогенов. ( А) Представление классической «зигзагообразной» модели иммунитета растений. Патоген-ассоциированные молекулярные паттерны (PAMP)/микробно-ассоциированные молекулярные паттерны (MAMP) при взаимодействии с родственными рецепторами хозяина (PRR) вызывают первую линию защитного ответа, называемого PAMP-триггерным иммунитетом (PTI). Затем патогены продуцируют специфические эффекторные молекулы или токсины, которые снижают PTI до базового уровня, что называется восприимчивостью, запускаемой эффектором (ETS; I). Растения обладают геном «R», который вырабатывает антитоксины или ингибиторы токсинов, продуцируемых патогенами, и инициируется вторая линия защитного ответа, называемая эффекторным иммунитетом (ETI). Некоторые патогены могут продуцировать модифицированные эффекторы для восстановления ETS (II). Эта гонка вооружений продолжается до тех пор, пока не выиграет один из них. ( Б). Графическое представление амплитуды иммунного ответа у растений. PTI индуцирует резкую индукцию по сравнению с базальным ответом резистентности, но амплитуда ETI превосходит все, поскольку она является наиболее специфичной в отношении патогенов среди всех.

3.2. Иммуногенная память растений: факты и реальность

Жизнь впервые зародилась в воде. Преобразование жизни из воды в сушу произошло с развитием сосудистых растений и было обозначено как одна из отличительных черт истории эволюции. Наземные растения возникли более 400 миллионов лет назад в палеозойскую эру [ 28 ]. С тех пор эти растения постоянно сталкиваются с различными патогенными микроорганизмами. Непрерывная борьба помогает растениям выработать устойчивость против многих из этих патогенов. Коэволюционные взаимодействия сильно манипулируют иммуногенными событиями у растений и способствуют развитию стрессовой памяти. Террестриализация — сильный стресс, легко воздействующий на «эво-физио» всех наземных растений [ 29 ].]. Физиологические изменения, на которые воздействуют микробы, включают развитие симбионтов, эндосимбионтов, агентов биоконтроля и реакций сопротивления, не связанных с хозяином [ 30 ]. Как обсуждалось ранее, взаимодействие растений и патогенов в значительной степени зависит от успешного взаимодействия конкретных микробов с родственными рецепторами, присутствующими на поверхности хозяина, называемого «реакцией узнавания». Одно успешное распознавание может развить только реакцию болезни или резистентности.

Идентификация и организация патогенного ответа специфическими рецепторами сильно зависят от памяти растений против репертуара патогенных микробов. В отличие от животных, у растений не выявлено специализированных мобильных защитных клеток [ 30 ].], хотя многие сигнальные компоненты могут замещать иммуногенные клетки памяти. Внеклеточные и внутриклеточные рецепторы внесли свой вклад в первую линию иммунной памяти. Рецепторы распознавания образов или PRR, как описано ранее, отвечают за быстрое распознавание патогенов и последующие защитные реакции. PRR в основном связаны с мембраной и содержат внешний домен, выступающий за пределы клетки для взаимодействия с патогенами, называемый эктодоменом. Кроме того, существуют трансмембранный домен и внутриклеточный домен. В большинстве случаев этот внутриклеточный домен содержит киназный мотив; следовательно, этот тип PRR обозначается как рецептороподобные киназы (RLK). В некоторых PRR этот внутриклеточный домен может отсутствовать, составляя только эктодомен и трансмембранный домен, называемые рецептороподобными белками (RLP). С другой стороны, RLK и RLP подразделяются на множество категорий на основе эктодомена. Эктодомен может содержать повторы, богатые лейцином (LRR RLK/LRR RLP), лизиновые мотивы (LysMs RLK/LysMs RLP), лектиноподобный мотив (LecRLK/LecRLP), эпидермальный фактор роста (EGF RLK/EGF RLP) и т. д. Все эти рецепторы играют решающую роль в микробном распознавании и формировании иммунной памяти.

Первым обнаруженным PRR является Xa21, который придает устойчивость к возбудителю бактериального ожога Xanthomonas oryzae [ 31 ]. Другим наиболее изученным PRR является Fls2 у Arabidopsis thaliana, который распознает иммуногенный эпитоп бактериального белка флагеллина (flg22). И Xa21, и Fls2 представляют собой PRR LRR-RLK-типа [ 32 ]. Одно исследование показало, что праймирование с помощью Xa21 запускает базальную защитную передачу сигналов, в частности гормональные перекрестные помехи, и придает устойчивость против широкого спектра бактериальных патогенов [ 33 ]. Фактор элонгации Tu (EF-Tu) PRR, который может распознавать фактор элонгации как MAMP бактериальных патогенов, имеет общий путь активации с Fls2 у арабидопсиса .. Хотя нижестоящий путь активации этих PRR не полностью понятен, было задокументировано участие киназы, BRI1-ассоциированной рецепторной киназы 1 (BAK1), в этом сигнальном событии. Мутанты BAK1 обнаруживают ослабленный Fls2, а EF-Tu опосредует передачу сигналов [ 34 ]. BAK1-опосредованная передача сигналов дополнительно активирует сигнальные каскады киназы MAP, вызывая устойчивый ответ резистентности. Одно исследование показало, что опосредованное бензотиадиазолом праймирование у Arabidopsis снижает риск заражения Pseudomonas syringae (DC3000) за счет накопления транскриптов MPK3 и MPK6 [ 35 , 36 ].

С другой стороны, системный ответ, опосредованный бензотиадиазолом, также регулирует и усиливает функцию Fls2 в отдельном исследовании [ 37 ], которое свидетельствует о том, что Fls2 может индуцировать иммуногенную память с помощью BAK1-опосредованной передачи сигналов, что в конечном итоге обеспечивает устойчивость через каскады, регулируемые MPK3/MPK6. . Недавно сообщалось, что EXO70B1 и EXO70B2, две субъединицы экзоцитозного комплекса растений, участвуют в гомеостазе Fls2 плазматической мембраны и передаче сигналов [ 38 ]. Эктопическая экспрессия киназы рецептора лектина L-типа Arabidopsis -VI.2 (LecRK-VI.2) в Nicotiana benthamiana успешно индуцирует праймирование против многих бактериальных патогенов. Следовательно, это может быть использовано в консорциуме технологий резистентности с комплексом Fls2 [ 39 ].]. Олигогалактурониды (ОГ) считаются молекулярным паттерном, ассоциированным с опасностью (DAMP), распознаются другим классом PRR в плазматической мембране и активируют отдельные сигнальные события. Недавно было обнаружено, что PCaP1, связанный с плазматической мембраной белок, ассоциированный с актиновыми филаментами, участвует в распознавании OGs, а также контролирует поздний ответ передачи сигналов флагеллина (flg22) [ 40 ]. Как и PRR, NOD-подобные рецепторы (NLR) являются внутриклеточными рецепторами для патогенов. Эти классы рецепторов имеют С-концевой домен LRR с центральным нуклеотидсвязывающим доменом (NBD) и N-концевым доменом. N-концевой домен можно классифицировать как спиральный домен (CC) или домен рецептора толл-интерлейкина-1 (TIR). Арабидопсис _NLR ZAR1 продуцирует пентамерный резистосомный комплекс с псевдокиназой RSK1 и киназой PBL2. Бактериальный эффектор Xanthomonas AvrAC способствует уридилированию и активирует этот резистосомный комплекс для обеспечения резистентности [ 41 ]. ADP-опосредованное праймирование комплекса ZAR1-RKS1-PBL2 UMP контролирует «выключатель смерти» в NLR-опосредованной иммунной памяти у растений [ 42 ]. Продолжающееся открытие различных классов PRR и NLR с их полными нижележащими сигнальными партнерами формирует биологию иммуногенной памяти растений в совершенно новом направлении в будущем ( рис. 2 ).). Кроме того, разделенные по фазам компартменты в эукариотических клетках, называемые «биомолекулярными конденсатами», являются еще одной новой областью исследований в биологии стресса растений. Эти неканонические компартменты лишены каких-либо мембран и отвечают за различные важные сигнальные события у растений, включая координацию сигналов стресса [ 43 , 44 ]. Роль биомолекулярных конденсатов в контроле стрессовой памяти у растений до сих пор неясна. Дальнейшие исследования в этом направлении откроют новые горизонты в механистическом поведении стрессовой памяти растений.

Фигура 2. Иллюстрация, изображающая механистическую основу формирования иммунной памяти у растений. Распознавание патогенов рецептороподобными киназами (RLK), рецептороподобными белками (RLP) и внутриклеточными NOD-подобными рецепторами (NLR) приводит к сложной передаче сигналов защиты и перепрограммированию транскриптома, что индуцирует эпигенетические метки в геноме. Эти следы могут быть временными или постоянными, в зависимости от величины и частоты конкретного стресса. Праймирование через SA и установление SAR является обычным событием для памяти растений против биотических патогенов. Во многих случаях такие воспоминания о биотическом стрессе передаются из поколения в поколение. TMD, трансмембранный домен; HDM, гистондеметилаза; HMT, гистонметилтрансфераза; HDAC, гистондеацетилаза; HAT, гистоновая ацетилтрансфераза; RBOH, оксидаза респираторного взрыва; АФК, активные формы кислорода; СС/МДП, рецептор спиральной спирали/toll-интерлейкина; NBD, нуклеотидсвязывающий домен; TF, транскрипционный фактор; SA, салициловая кислота; SAR, системная приобретенная резистентность.

4. Эпигенетическая регуляция памяти растений

Длинная цепь ДНК организована и сжата в хромосомные структуры. В этом сжатии решающую роль играют нуклеосомы. Нуклеосомы представляют собой гистоновые октамеры, состоящие из двух звеньев каждого гистонового белка, например, H2A, H2B, H3 и H4, обернутых ~147 п.н. ДНК, обозначенной как ядро ​​ДНК [ 45 ].]. Эти нуклеосомы представляют собой динамические структуры, позволяющие ДНК становиться доступной для механизма транскрипции во время экспрессии генов. Любые изменения в топологии ДНК могут повлиять на паттерны экспрессии генов. Двумя основными путями эпигенетической регуляции генов являются метилирование ДНК и модификация гистонов. Метилирование остатков цитозина в ДНК, которое происходит в основном в промоторах и некодирующих областях, является распространенной формой метилирования ДНК. Метилирование ДНК растений de novo инициируется siРНК и может происходить в асимметричных (CHH) или в симметричных (CG и CHG) сайтах. Симметричное метилирование может поддерживаться во время репликации ДНК и может передаваться по наследству потомкам [ 46 ].]. Вирус-индуцированное замалчивание генов (ViGS) представляет собой интересный пример реакции устойчивости растений к противовирусным препаратам, которая иногда сохраняется в последующих поколениях даже без вируса-инициатора. В таких случаях было замечено, что в основном транскрипционное замалчивание является трансгенерационным из-за активности метилтрансферазы 1 ( MET1 ) в поддержании метилирования в промоторных областях [ 47 ]. В качестве альтернативы рекрутирование ДНК-метилтрансферазы de novo ( DRM2 ) является предпосылкой пути РНК-направленного метилирования ДНК (RdDM), который действует как петля положительной обратной связи в «РНК-индуцированном эпигенетическом молчании» (RNAe) [ 48 ]. Стабильность этих эпигенетических и эпигеномных меток может варьироваться от нескольких дней до месяцев [ 9 ].]. Передача эпигенетической памяти в последующих поколениях все еще неуловима. Скрининг метилома показал, что у Arabidopsis дифференциальные положения метилирования (DMP) прямо коррелируют с трансгенерационной приобретенной резистентностью (TAR) [ 49 ]. Недавно интересное явление наблюдалось у каменного дуба ( Quercus ilex L.), где сеянцы инфицированных ( Phytophthora cinnamomi ) материнских растений проявляли лучшую реакцию устойчивости [ 50 ].]. Метилирование ДНК и модификация гистонов неразрывно связаны, поскольку метилированные участки ДНК часто гетерохроматичны и плотно упакованы гистонами. Различные модификации белков гистонов, определяемые как посттрансляционная модификация гистонов (HPTM), могут изменять их упаковку, характеристики упаковки, динамику и, следовательно, экспрессию генов [ 51 ]. В большинстве случаев репрессия в экспрессии генов обычно осуществляется за счет триметилирования гистонов в положениях H3K9 и H3K27 [ 52].]. Хотя яровизация не относится к биотическому стрессу, ее можно привести в качестве яркого примера модификации гистонов и ее наследования. Для цветения сортов озимого ячменя необходимы длительные холодные периоды. При низкой температуре ген-активирующие модификации гистонов (остаток лизина 4 гистона 3 (H3K4)) осуществляются на гистонах H3, связанных с кодирующей областью гена VRN1 ячменя, а ген-репрессирующие модификации (H3K27) удаляются. Более высокий уровень экспрессии транскрипционного фактора VRN1 вместе с более длинным днем ​​инициирует колошение ячменя. Эти эпигенетические изменения наследуются во время митотических делений (например, во время каллусной культуры), но теряются во время мейоза, и следующее поколение должно быть снова яровизировано [ 47 , 53 ]. У Arabidopsis thalianaБыло показано, что два гомолога человеческой лизиноспецифичной деметилазы 1-подобной 1 (LDL1) и человеческой лизиноспецифичной деметилазы 1-подобной 2 (LDL2) контролируют экспрессию генов, связанных с защитой, путем метилирования в H3K4. Анализы мутантов показали, что эта двухлизин-специфичная деметилаза индуцирует иммунную память путем активации транскрипционных факторов WRKY (WRKY 22/40/70) у арабидопсиса при заражении Pseudomonas syringae [ 54 ]. Сложное взаимодействие между модификаторами ДНК, регулирующими некодирующие РНК (нкРНК), ремоделираторами хроматина и модификаторами гистонов способствует фенотипической пластичности сидячих растений, чтобы лучше работать во взаимодействии хозяин-микроб и генерировать стрессовую память [ 55 ]. Сравнительный протеомный анализ Pinus sp.. выявили, что эпигенетические модификации способствуют передаче защитных сигналов от Fusarium circinatum , вызывая болезнь сосновой смолы (PPC) [ 56 ]. Регуляция РНК модификацией гистонов неизвестна. Тем не менее, недавно было обнаружено интересное открытие, когда арабидопсис thaliana , обработанный S-метиловым эфиром бензо-(1,2,3)-тиадиазол-7-карботиевой кислоты (BTH), показал повышенное накопление ARGONAUTE (AGO2 и AGO3), участвует в молчании РНК. Это увеличение транскрипции связано с триметилированием H3K4 и ацетилированием H3 в промоторной области AGO2. Это затравочное событие придало устойчивость к вирусу огуречной мозаики (CMV[Y]) и успешно развило память устойчивости к Pseudomonas syringae pv.maculicola путем индукции системной приобретенной устойчивости (SAR) [ 57 ]. Эпигенетическая регуляция SAR также была задокументирована в других исследованиях. Было продемонстрировано, что аналог салициловой кислоты (SA), ацибензолар S-метил, может модифицировать экспрессию генов, связанных с защитой, путем метилирования H3K4. При этом феномене активируются в основном 11 факторов транскрипции WRKY (WRKY6, WRKY11, WRKY18, WRKY22, WRKY23, WRKY26, WRKY29, WRKY31, WRKY48, WRKY53 и WRKY66) [ 58 ].]. Как и метилирование, ацетилирование также оказывает огромное влияние на экспрессию генов, связанных с толерантностью к биотическому стрессу. Многие (по крайней мере 26) предполагаемых сайтов ацетилирования присутствуют в одной нуклеосомной структуре, и H3 является наиболее заметным сайтом для событий ацетилирования, но недавно многие сайты ацетилирования были также идентифицированы в молекулах H2A [ 59 , 60 ]. Гомеостаз ацетилирования гистонов поддерживается двумя важными ферментами, ацетилтрансферазами гистонов (HAT) и деацетилазами гистонов (HDAC). Было доказано, что один из HDACs, то есть HDA19, у Arabidopsis положительно регулирует защитный ответ против Alternaria brassicicola в пути JA/этилена (ET) [ 61 ].]. Напротив, мутант HDA19 продемонстрировал, что биомаркеры SA, связанные с патогенезом 1 (PR1) и PR2, гиперацетилированы в H3, что означает, что HDA19 способствует деацетилированию и последующей репрессии этих генов, связанных с SA [ 62 ]. Неэкспрессор связанных с патогенезом генов 1 (NPR1) и его паралоги NPR3 и NPR4 регулируют PR1-зависимую защитную передачу сигналов и SAR у растений. Было замечено, что NPR1 и SA в значительной степени контролируют функцию HDAC19, чтобы обеспечить прайминг у растений [ 63 ]. У арабидопсиса после патогенной ингрессии наблюдалось накопление N-гидроксипипеколевой кислоты (NHP), которая служила защитным праймингом, индуцируя SAR зависимым от NPR1 образом [ 64 ].]. Другие HDAC, такие как HDA6, также участвуют в JA-опосредованной передаче сигналов в WRKY-зависимых путях. Мутантные растения демонстрируют более высокие паттерны экспрессии SA-чувствительных генов (например, PR1, PR2, EFR, FRK1 и WRKY), что придает арабидопсису устойчивость к Pst DC3000 [ 65 ]. Влияние метилирования и ацетилирования на различные биотические реакции растений было рассмотрено Ramirez-Prado et al. [ 66]. SAR является давним примером развития памяти против биотрофных патогенов. Сниженный системный иммунитет1/FLOWERING LOCUS D (RSI1; он же FLD), известный гомолог деметилазы человека, необходим для SAR у растений. Экзогенная обработка растений ингибитором гистоновой деметилазы, транс-2-фенилциклопропиламином (2-PCPA), имитирует мутацию потери функции в RSI1/FLD, которая способствует SAR [ 67 ]. Исследование цитрусовых , опосредованное прививкой , показало, что Phytophthora citrophthora индуцирует метилирование и гемиметилирование, и эти геномные отпечатки передаются комбинациям корня и привоя.

Это указывает на то, что метки ДНК, индуцированные патогенами, могут успешно наследоваться в последующих поколениях [ 68 ]. Эти генетические отпечатки в значительной степени контролируют схемы транскрипции у растений для борьбы с различными патогенными атаками. Детальное исследование семейств транскрипционных факторов (TF) в контроле реакции на биотический стресс у картофеля показало, что эпигенетическая модификация играет критическую роль в контроле этих TF [ 69 ]. Хотя сообщений об эпигенетической памяти растений против биотического стресса немного по сравнению с данными об эпигенетической памяти растений против абиотического стресса, в последнее время в этом отношении было задокументировано несколько превосходных работ ( таблица 1 ).

Таблица 1. Список биотических взаимодействий, способствующих памяти стресса у растений.

5. Прайминг против памяти и тонкая грань разницы

Любой живой организм, населяющий изменяющуюся среду, постоянно развивался в процессе обучения. Этот процесс обучения у растений включает в себя процветание в неблагоприятных условиях окружающей среды и борьбу с различными патогенными ингрессиями. Давление окружающей среды и взаимодействие с другим организмом в значительной степени формируют структуру сообщества наилучшим образом. Геномы каждого организма могут хранить следы прошлого опыта, которые собирает конкретный организм. Вся их сохраненная геномная информация и опыт в совокупности называются памятью. Память может быть кратковременной или долговременной, в зависимости от типа и интенсивности стрессора. Формирование памяти у высших животных с организованной нервной системой в первую очередь зависит от нейронов и синаптических связей [ 82 ].]. Оперативность ответа зависит от количества нейронов, связывающих раздражители. У растений репертуар вторичных мессенджеров, т.е. ROS, Ca 2+ , NO, SA, JA и пипеколиновая кислота, играет решающую роль в реакции памяти [ 83 , 84 , 85 , 86 ]. Кратковременная память не всегда связана с перепрограммированием транскрипции как у растений, так и у животных. Кратковременная память обычно вызывает переходную экспрессию факторов транскрипции, которые при необходимости контролируют набор генов, отвечающих за защиту [ 8 ].]. Это своего рода предупреждение, которое растения и животные могут получить во внутриклеточной среде и подготовиться к любой будущей атаке. Такого рода ситуации называются «прайминг». Под «памятью» обычно понимают эту долговременную память, которая пропитывает метки в геноме в виде ацетилирования, метилирования, убиквитинирования, СУМОилирования и т. д. [ 55 , 87 ]. Такие ситуации могут перепрограммировать транскрипционные и трансляционные механизмы организма. Примированная клетка всегда может работать лучше, чем не примированная клетка против стрессовых факторов. Таким образом, прайминг является необходимым условием любого сильного формирования памяти у растений.

6. Выводы и будущие вопросы

Неспособность двигаться и отсутствие мобильных защитных клеток усложняют передачу защитных сигналов у растений. Реакция на биотический стресс в первую очередь зависит от сложных сигнальных путей с последовательными механизмами «включения» и «выключения» различных генов устойчивости. Изменения экспрессии, а также условная экспрессия определенных генов зависят от паттернов организации генома и метилирования ДНК. Эти эпигенетические метки в геномах остаются на некоторое время, чтобы у растений развивалась стрессовая память. Иногда эти метилирования ДНК могут передаваться из поколения в поколение и развивать «трансгенерационную память». Различные клеточные сигнальные события также можно тренировать с помощью внешних стрессовых стимулов и реагировать соответствующим образом, несмотря на метилирование ДНК. Генерация стрессовой памяти в настоящее время очевидна у растений во многих экспериментальных результатах. Все еще, полная механистическая основа памяти неосязаема. Предстоит решить много вопросов и пройти долгий путь для полного анализа «памяти растений». Ниже приведены некоторые интригующие вопросы и перспективы, связанные с будущими исследованиями по текущей теме:

Является ли развитие стрессовой памяти у растений видовой специфичностью?

Могут ли разные патогены производить одинаковые модификации гистонов?

Каков реальный механизм трансгенерационной памяти?

Насколько устойчива эта трансгенерационная память с выбором давления и без него?

Разница между генетикой прайминга и памяти до сих пор неясна.

Основа вызова памяти должна быть адекватно разрешена.

Надлежащее изложение вышеуказанных научных вопросов даст новое понимание развития памяти растений и позволит нам использовать то же самое в будущих стратегиях улучшения урожая.