Понимание взаимодействия патогенов растений с использованием пространственных и одиночных

Биология связи, том 6, Номер статьи: 814 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Растения контактируют с разнообразными патогенами и микроорганизмами. Интенсивные исследования за последние 30 лет привели к идентификации множества иммунных рецепторов у модельных и сельскохозяйственных видов, а также к перекрытию сигналов в поверхностно-локализованных и внутриклеточных иммунных рецепторах. Однако у ученых все еще есть ограниченное понимание того, как растения реагируют на различные патогены с пространственным и клеточным разрешением. Последние достижения в области одноклеточных, одноядерных и пространственных технологий теперь могут быть применены к взаимодействиям растений и патогенов. Здесь мы описываем текущее состояние этих технологий и освещаем нерешенные биологические вопросы, которые можно решить в будущем.

Растения могут быть заражены различными патогенными организмами, которые модулируют клетки-хозяева, обеспечивая их рост и распространение. Возбудители используют различные стратегии манипулирования, которые могут меняться в ходе инфекции. Эти стратегии включают подавление защиты растений, а также использование токсинов и деградирующих ферментов для облегчения колонизации и высвобождения питательных веществ1. Некоторые патогены могут напрямую проникать в ткани растений, тогда как другие проникают через раны или естественные отверстия. Трансмиссивные возбудители могут доставляться непосредственно в сосудистые ткани различными группами колюще-сосущих насекомых. Каждый механизм тканевой инвазии приводит к контакту возбудителя с разными типами клеток и тканей1,2,3.

В листе одновременно наблюдаются различные стадии заражения возбудителем4. Распределение патогена в растениях неоднородно, что приводит к неравномерному развитию симптомов5,6,7. Большинство предыдущих исследований по изучению взаимодействия растений и патогенов проводились с использованием целых растений или сложных типов тканей. Существуют значительные различия между реакциями отдельных клеток и всей ткани, что позволяет предположить, что реакция, наблюдаемая на тканевом уровне, представляет собой среднее значение колебаний, происходящих между клетками, нацеленными на патоген, и клетками, на которые не нацелены8. Последние технологические достижения позволяют ученым исследовать реакцию растений и патогенов с разрешением одной клетки или в пространственном контексте9,10,11. Эти достижения будут способствовать более целостному пониманию клеточных реакций и изменчивости внутри ткани.

Растения обладают врожденной иммунной системой, которая состоит из поверхностных локализованных рецепторов распознавания образов (PRR) и внутриклеточных нуклеотид-связывающих богатых лейцином повторных рецепторов (NLR)12. PRR могут распознавать консервативные молекулярные паттерны, связанные с микробами и повреждениями (MAMP и DAMP соответственно), что приводит к PRR-запускаемому иммунитету (PTI). Иммунные рецепторы NLR растений распознают секретируемые эффекторы патогена внутри клеток, индуцируя эффекторно-запускаемый иммунитет (ETI)12. Хотя PRR и NLR структурно различны и могут распознавать различные компоненты патогена, они имеют значительное перекрытие в последующей передаче сигналов, таких как каскады митоген-активируемых протеинкиназ (MAPK), поток кальция, выброс активных форм кислорода (АФК), транскрипционное перепрограммирование, и передача сигналов фитогормонов13. Недавно было показано, что PTI и ETI взаимно усиливают друг друга, обеспечивая устойчивую резистентность14,15. Достижения в области одноклеточных и пространственных технологий потенциально могут выяснить клеточные реакции в клетках, нацеленных на патогены, и соседних клетках.

Хотя передача иммунных сигналов тщательно изучается, ученым до сих пор не хватает понимания пространственной экспрессии иммунных рецепторов в различных тканях растений. В течение многих лет мы предполагали, что все растительные клетки иммунокомпетентны. Недавно было продемонстрировано, что только ограниченное подмножество корневых зон Arabidopsis напрямую реагирует на флагеллин MAMP при отсутствии повреждений16,17. Детальная характеристика ответных компетентных растительных клеток во время инфекционного процесса необходима для понимания механизмов, регулирующих прогрессирование заболевания.