Frontiers | Genetic and Molecular Mechanisms Underlying Symbiotic Specificity in Legume-Rhizobium Interactions | Plant Science

Introduction
A flavonoidok és a flavonoid-NodD felismerés által közvetített specifitás
Specifikusságot közvetít a nódfaktor-érzékelés
Specificity Mediated by Perception of Rhizobial Exopolysaccharides
A gazdaszervezet veleszületett immunitása által közvetített specifitás
Specificity in Nitrogen Fixation
Következtetés és jövőbeli kilátások
Author Contributions
Finanszírozás
Conflict of Interest Statement

Introduction

A legum-rhizobium szimbiózis a gazdanövény és a mikroszimbionta közötti jelcserével kezdődik (Oldroyd, 2013). A kompatibilis baktériumok felismerése a gazdaszervezet által indukálja a kéregsejtek osztódását a gyökérgumó primordiumok kialakításához, és ezzel egyidejűleg elindítja a fertőzési folyamatot, hogy a baktériumokat a gumósejtekbe juttassa. A legtöbb hüvelyes növény fertőzése a gyökérszőrzetben induló, növényi eredetű fertőzési szálak kialakulásával jár. Az osztódó baktériumokat tartalmazó fertőzési szálak az epidermális sejtrétegen keresztül a csomósejtekbe nőnek, ahol a baktériumok egy endocitózishoz hasonló folyamat során felszabadulnak és internalizálódnak. A csomósejtekben az egyes baktériumokat egy növényi eredetű membrán zárja körül, egy szimbiózmának nevezett organellaszerű struktúrát alkotva, amelyen belül a baktériumok tovább differenciálódnak nitrogénmegkötő bakteroidokká (Jones et al., 2007; Oldroyd et al., 2011).

A szimbionta csomó fejlődése a csomósejtek és a baktériumsejtek szinkron differenciálódásával jár. A hüvelyesek gócai két fő típusba sorolhatók: indeterminált (pl. borsó, lóhere és Medicago) és determinált (pl. szója, közönséges bab és Lotus) (Nap és Bisseling, 1990; Hirsch, 1992). Az indeterminált csomók a belső kéregben lévő sejtosztódásokból erednek, és tartós apikális merisztémával rendelkeznek. Következésképpen az indeterminált gumók hengeres alakúak, a gumó csúcsától az aljáig tartó fejlődési gradienssel, amely különböző gumózónákra osztható (Nap és Bisseling, 1990). Ezzel szemben a determinált gumók a gyökér középső/külső kéregállományának sejtosztódásából származnak, nem rendelkeznek tartós merisztémával, és gömb alakúak. A determinált góc sejtosztódásai a korai fejlődési szakaszokban megszűnnek, és az érett góc a sejtek megnagyobbodásával fejlődik; így a fertőzött sejtek többé-kevésbé szinkronban fejlődnek a nitrogénmegkötő stádiummal. Mindkét csomótípusban a szimbiotikus csomósejtek genom-endoreduplikáción mennek keresztül, ami poliploidizációhoz és sejtnagyobbodáshoz vezet. A gócsejtek fejlődésével párhuzamosan zajlik a nitrogénmegkötő bakteroidok differenciálódása. A gazdaszervezettől függően, de a góctípustól függetlenül az ilyen bakteriális differenciálódás lehet terminális vagy reverzibilis. A terminális differenciálódást a genom endoreduplikációja, a sejtek megnyúlása, a membránpermeabilitás növekedése és a szaporodási képesség elvesztése jellemzi, míg a reverzibilis differenciálódás során a bakteroidok megtartják a szabadon élő baktériumokhoz hasonló sejtméretet és DNS-tartalmat (Kereszt et al., 2011; Oldroyd et al., 2011; Haag et al., 2013). A szabadon élő baktériumokhoz képest a bakteroidok drámai változásokat mutatnak a transzkriptomban, a sejtfelszíni struktúrában és a metabolikus tevékenységekben, így jobban alkalmazkodnak az intracelluláris környezethez és a nitrogénmegkötésnek szentelik magukat (Mergaert et al., 2006; Prell és Poole, 2006; Haag et al., 2013).

A hüvelyesek és a rizobiumbaktériumok filogenetikai szempontból is változatosak. Egyetlen rhizobiumtörzs sem képes szimbiózist kialakítani minden hüvelyessel, és fordítva. A specifitás mind faji, mind genotípusos szinten jelentkezik (Broughton et al., 2000; Perret et al., 2000; Wang et al., 2012). Ez már a kölcsönhatás korai szakaszában bekövetkezhet, így ugyanazok a baktériumtörzsek az egyik gazdanövényt megfertőzhetik és nodulálhatják, a másikat viszont nem (Yang et al., 2010; Wang et al., 2012; Tang et al., 2016; Fan et al., 2017). Az inkompatibilitás gyakran a csomófejlődés későbbi szakaszaiban is előfordul, így a nitrogénmegkötési hatékonyság jelentősen eltér a különböző növény-baktérium kombinációk között (Wang et al., 2012, 2017, 2018; Yang et al., 2017). A szimbiózis-specifikusság a gazdaszervezet és a baktérium oldaláról érkező jelek változásából adódik, így a koadaptáció során különböző felismerési mechanizmusok alakultak ki. A szimbiotikus specificitás genetikai és molekuláris alapjainak ismerete fontos a gazdaszervezet vagy a baktériumok genetikai manipulációjára szolgáló eszközök kifejlesztéséhez a nitrogénkötés hatékonyságának növelése érdekében. Ebben az áttekintésben a gyökérgümő szimbiózisban a specifitás evolúciójának jelenlegi ismereteit tárgyaljuk.

A flavonoidok és a flavonoid-NodD felismerés által közvetített specifitás

Nitrogén-korlátozó körülmények között a hüvelyesek gyökerei flavonoid vegyületek koktélját választják ki a rizoszférába, és ezek a bakteriális nodulációs (nod) gének egy csoportjának expresszióját aktiválják, ami a Nod-faktor szintéziséhez vezet, egy lipochitooligoszacharid jelhez, amely a legtöbb hüvelyesnél elengedhetetlen a szimbiózis beindításához (Oldroyd et al., 2011). A nod-gének expressziójának indukcióját a flavonoidok által aktivált NodD fehérjék közvetítik, amelyek LysR típusú transzkripciós szabályozók (Long, 1996). A NodD-k a nod-gének expresszióját a nod-operonok előtti konzervált DNS-motívumokhoz (nod boxok) való kötődéssel aktiválják (Rostas et al., 1986; Fisher et al., 1988).

A különböző rhizobiumokból származó NodD-fehérjék alkalmazkodtak a különböző hüvelyesek által szekretált különböző flavonoidok felismeréséhez, és ez a felismerési specifitás meghatározza a szimbiózis egy korai ellenőrzőpontját (Peck et al., 2006). Annak ellenére, hogy nincs közvetlen bizonyíték a két molekula közötti fizikai kölcsönhatásra, kimutatták, hogy a flavonoidok képesek stimulálni a NodD kötődését a nod-gének promóteréhez a Sinorhizobium meliloti-ban (Peck et al., 2006). Jól dokumentált, hogy a nodD gének törzsek közötti cseréje megváltoztathatja a befogadó törzs válaszát a flavonoid induktorok eltérő készletére, és ezáltal a gazdaszervezeti tartományt (Horváth és mtsai., 1987; Perret és mtsai., 2000). Például a nodD1 átvitele a széles gazdaterjedelmű Rhizobium sp. NGR234 szimbiontából a korlátozott gazdaterjedelmű Rhizobium leguminosarum biovar trifolii ANU843 törzsbe lehetővé tette a befogadó törzs számára a nem hüvelyes növény Parasponia nodulálását, mivel a széles gazdaterjedelmű NodD1 fehérje a flavonoid induktorok szélesebb spektrumát képes felismerni (Bender et al., 1988).

A flavonoidoknak a gazdaterjedelem meghatározásában játszott szerepére vonatkozó bizonyítékok elsősorban a baktériumgenetikából származnak, az érintett növényi gének kevésbé tanulmányozottak. Mivel a hüvelyesek gyökerei a flavonoid vegyületek összetett keverékét választják ki, nehéz pontosan meghatározni, hogy mely flavonoidok játszanak kritikusabb szerepet, és mikor és hol termelődnek. A szóján és a Medicago truncatulán végzett közelmúltbeli vizsgálatok kiemelték a rizobiumfertőzéshez szükséges kulcsfontosságú flavonoidokat (áttekintés: Liu és Murray, 2016). Ezek az úgynevezett “fertőzési flavonoidok” a nod-gének erős induktorai, a gyökerek által szekretálódnak, nagymértékben felhalmozódnak a fertőzési helyeken, és fokozott bioszintézist mutatnak válaszul a kompatibilis rhizobiumok általi fertőzésre. Bár a luteolin volt az első olyan flavonoid, amely a rhizobiumtörzsek széles skáláján képes góckifejeződést indukálni, nem hüvelyesekre specifikus, főként a csírázó magokban termelődik, és nem mutatták ki a gyökérkiválásokban vagy a gócokban. Ezzel szemben a metoxikalkonról kimutatták, hogy a Medicago és a közeli rokon hüvelyesek egyik erős gazdafertőzési jele, amelyek indeterminált gócokat képeznek, míg a genistein és a daidzein a determinált gócokat képező szójababok döntő fontosságú jelei. A flavonoid vegyületek egy része fitoalexinként is működhet, a szimbiózis specificitását erősítve (Liu és Murray, 2016). Például a Bradyrhizobium japonicum és a Mesorhizobium loti, de nem a Medicago szimbiont S. meliloti, érzékenyek a Medicago spp. által termelt medicarpin izoflavonoidra (Pankhurst és Biggs, 1980; Breakspear et al, 2014), a szójabab B. japonicum és S. fredii szimbiontái pedig genistein és daidzein hatására rezisztensek a gliceollinnal szemben (Parniske et al., 1991).

Specifikusságot közvetít a nódfaktor-érzékelés

A rizobiumok által termelt nódfaktorok a legtöbb hüvelyesben a szimbiózis fejlődésének lényeges jelzőkomponensei. A nod-faktorok lipokito-oligoszacharidok, amelyek négy vagy öt 1,4-hez kötött N-acetil-glükózamin maradékból állnak, amelyek a nem redukáló vég C-2 pozíciójához különböző hosszúságú zsíracilláncot és különböző fajspecifikus kémiai díszítéseket hordoznak a redukáló és a nem redukáló végén (Dénarié és mtsai., 1996). A közös nodABC gének hozzájárulnak a kitin gerinc szintéziséhez, míg más törzs-specifikus nod gének a gerinc módosítására hatnak az acillánc méretének és telítettségének megváltoztatásával, vagy a terminális cukoregységek acetil-, metil-, karbamoil-, szulfuril- vagy glikozilcsoportokkal történő kiegészítésével. A Nod-faktorok szerkezeti változatai a gazdaszervezet hatókörének kulcsfontosságú meghatározói, mivel ezeket a Nod-faktorokat a gazdaszervezetnek fel kell ismernie ahhoz, hogy a fertőzés és a noduláció beinduljon (Perret et al, 2000; D’Haeze és Holsters, 2002).

A nod-faktorokat a Nod-faktor receptorok (pl. NFR1 és NFR5 a Lotus japonicusban) érzékelik, amelyek LysM domén-tartalmú receptor kinázok (Limpens és mtsai., 2003; Madsen és mtsai., 2003; Radutoiu és mtsai., 2003). A Nod faktorok közvetlen kötődése a receptorkomplex extracelluláris LysM doménjeihez a downstream nodulációs jelátviteli útvonalak aktiválódásához vezet (Broghammer és mtsai., 2012). A Nod-faktorok kötődésének specifikussága széles körben úgy gondolják, hogy kritikus fontosságú a leendő szimbiózis partnerek közötti felismerés szempontjából. Ezt a hipotézist genetikai bizonyítékok erősen alátámasztják, még akkor is, ha az ilyen kötődési specificitást nem sikerült bizonyítani. A legjobb példák a borsó-R. leguminosarum szimbiózisból származnak, ahol a megváltozott Nod-faktor-összetételt vagy szerkezetet eredményező bakteriális nod-génmutánsok genotípus-specifikus nodulációt mutattak (Firmin et al., 1993; Bloemberg et al., 1995). A gazdanövénytartomány e megváltozása megfelel a Sym2/Sym37/PsK1 lókuszban, az NFR1 ortológ régiójában található allélváltozatoknak, amely a LysM receptor kinázok klaszterét tartalmazza (Zhukov és mtsai., 2008; Li és mtsai., 2011). Ebben az esetben a génduplikációval és diverzifikációval párosuló allélvariáció járul hozzá a szimbiotikus kompatibilitás változásaihoz.

A nod-faktorok felismerése feltehetően kritikusabb szerepet játszik a gazdaszervezetek fajszintű meghatározásában, amit a baktériumok oldaláról sikerült a legjobban illusztrálni. A nod-faktor receptorok természetes polimorfizmusait azonban, amelyek a különböző hüvelyesek közötti nodulációs specificitásért felelősek, genetikai szinten nem vizsgálták jól, egyszerűen azért, mert a növényeket nem lehet keresztezni. Ennek ellenére a L. japonicus NFR1 és NFR5 transzplantációja a M. truncatulába lehetővé teszi a transzformánsok nodulációját a L. japonicus szimbionta, a Mesorhizobium loti által (Radutoiu et al., 2007).

Specificity Mediated by Perception of Rhizobial Exopolysaccharides

A Nod faktorok mellett a rizobiumok felületi poliszacharidjai, mint például az exopoliszacharidok (EPS), lipopoliszacharidok (LPS) és kapszuláris poliszacharidok (KPS) is fontosnak tartják a szimbiózis kialakításában (Fraysse et al., 2003; Becker et al., 2005; Jones et al., 2007; Gibson et al., 2008). Azt javasolják, hogy ezek a felszíni komponensek képesek elnyomni a növényi védekezést, de a bakteriális fertőzést és nodulációt elősegítő aktív szerepük továbbra is megfoghatatlan, és a vizsgált specifikus kölcsönhatásoktól függ.

Az exopoliszacharidokról kimutatták, hogy több szimbiózisban is szükségesek a rizobiumfertőzéshez. Ezt legjobban a Sinorhizobium-Medicago szimbiózisban mutatták be, amelyben a S. meliloti által termelt fő EPS, a szukcinoglikán szükséges a fertőzési szálak elindításához és megnyúlásához, és a fokozott szukcinoglikán-termelés fokozza a nodulációs képességet (Leigh et al., 1985; Reinhold et al., 1994; Cheng és Walker, 1998; Jones, 2012). Az EPS szimbiózis szerepe azonban igen bonyolult a Mesorhizobium-Lotus kölcsönhatásban (Kelly et al., 2013). Például a M. loti R7A EPS mutánsok egy alcsoportja súlyos nodulációs hiányosságokat mutatott L. japonicuson és L. corniculatuson, míg más mutánsok hatékony gócokat képeztek (Kelly et al., 2013). Különösen a savas oktaszacharid EPS termelésében hiányos R7A mutánsok voltak képesek normálisan nodulálni a L. japonicus-t, míg a csonka pentaszacharid EPS-t termelő exoU mutánsok nem tudták megszállni a gazdaszervezetet. Azt javasolták, hogy a teljes hosszúságú EPS jelzésként szolgál a kompatibilis gazdaszervezetek számára a növényi védelmi válaszok modulálására és a bakteriális fertőzés lehetővé tételére, és az EPS-t nem termelő R7A mutánsok elkerülik vagy elnyomják a növényi felügyeleti rendszert, és így megőrzik a csomóképződés képességét. Ezzel szemben a módosított vagy csonka EPS-t termelő törzsek olyan növényi védelmi válaszokat váltanak ki, amelyek a fertőzés blokkolását eredményezik (Kelly és mtsai., 2013).

Az EPS-termelés gyakori a rizobium baktériumokban, és a különböző fajok által termelt EPS összetétele nagymértékben eltér (Skorupska és mtsai., 2006). Több tanulmány is felvetette az EPS szerkezetének részvételét a fertőzési specificitás meghatározásában (Hotter és Scott, 1991; Kannenberg és mtsai., 1992; Parniske és mtsai., 1994; Kelly és mtsai., 2013). Nemrégiben azonosítottak egy EPS-receptort (EPR3) a L. japonicusban, amely egy sejtfelszínen lokalizált fehérje, amely három extracelluláris LysM domént és egy intracelluláris kinázdomént tartalmaz (Kawaharada és mtsai., 2015). Az EPR3 szerkezetileg specifikus módon kötődik a rizobium EPS-hez. Érdekes módon az Epr3 gén expressziója a Nod-faktor szignáloktól függ, ami arra utal, hogy a baktériumok gazdaszervezetbe való bejutását a Nod-faktor és az EPS jelek receptor által közvetített felismerésének két egymást követő lépése szabályozza (Kawaharada és mtsai., 2015, 2017). A receptor-ligandum kölcsönhatás alátámasztja azt az elképzelést, hogy az EPS-felismerés szerepet játszik a szimbiózis specificitásának szabályozásában. A gazdaszervezet-receptorok és a törzs-specifikus EPS közötti specifikus felismerésből adódó gazdaszervezeti specifitás természetes variációját azonban nem mutatták ki egyetlen hüvelyes-rhizobium kölcsönhatásban sem. Figyelemre méltó, hogy a bakteriális kórokozók savas EPS-e is elősegíti a fertőzést, hogy növényi betegségeket okozzon (Newman és mtsai., 1994; Yu és mtsai., 1999; Aslam és mtsai., 2008; Beattie, 2011). Így a rizobiumok EPS-ét a gazdaszervezet immunreceptorai is felismerhetik, hogy olyan védelmi válaszokat indukáljanak, amelyek negatívan szabályozzák a szimbiózis fejlődését.

A gazdaszervezet veleszületett immunitása által közvetített specifitás

A szimbionta és patogén baktériumok gyakran hasonló szignálmolekulákat termelnek, hogy megkönnyítsék a gazdaszervezetbe való behatolásukat (Deakin és Broughton, 2009). E molekulák közé tartoznak a konzervált mikroba-asszociált molekuláris minták (MAMP-ok) és szekretált effektorok (D’Haeze és Holsters, 2004; Fauvart és Michiels, 2008; Deakin és Broughton, 2009; Soto és mtsai., 2009; Downie, 2010; Wang és mtsai., 2012; Okazaki és mtsai., 2013). A gazdaszervezet felismerési mechanizmusokat fejlesztett ki a kórokozók és a szimbionták megkülönböztetésére és az ezekre való eltérő reagálásra (Bozsoki et al., 2017; Zipfel and Oldroyd, 2017). Ez a megkülönböztetés azonban nem mindig sikeres; ennek eredményeként a felismerési specificitás gyakran előfordul mind a patogén, mind a szimbiózis kölcsönhatásokban. A hüvelyesek és a rizobiumok kölcsönhatásában a gazdaszervezet receptorai által közvetített effektor- vagy MAMP-triggerelt növényi immunitás is fontos szerepet játszik a rizobiumok gazdaszervezeti tartományának szabályozásában (Yang et al., 2010; Wang et al., 2012; Faruque et al., 2015; Kawaharada et al, 2015; Tang et al., 2016).

A szójababban több olyan domináns gént klónoztak (pl. Rj2, Rfg1 és Rj4), amelyek korlátozzák a nodulációt bizonyos rhizobiumtörzsek által (Yang et al., 2010; Tang et al., 2016; Fan et al., 2017). Ezekben az esetekben a noduláció korlátozása hasonló módon szabályozható, mint a növényi kórokozókkal szembeni “gén a génért” rezisztencia. Az Rj2 és az Rfg1 olyan allél gének, amelyek egy tipikus TIR-NBS-LRR rezisztenciafehérjét kódolnak, amely több B. japonicum és Sinorhizobium fredii törzzsel szembeni rezisztenciát biztosít (Yang et al., 2010; Fan et al., 2017). Az Rj4 egy thaumatinszerű védekezéssel kapcsolatos fehérjét kódol, amely korlátozza a B. elkanii specifikus törzseinek nodulációját (Tang et al., 2016). Ezeknek a géneknek a működése a baktérium III-as típusú szekréciós rendszerétől és annak szekretált effektoraitól függ (Krishnan et al., 2003; Okazaki et al., 2009; Yang et al., 2010; Tsukui et al., 2013; Tsurumaru et al., 2015; Tang et al., 2016; Yasuda et al., 2016). Ezek a vizsgálatok az effektorok által kiváltott immunitás fontos szerepére utalnak a nodulációs specificitás szabályozásában a szójában. Ahogy korábban tárgyaltuk, a rhizobiumok Nod-faktorai és felületi poliszacharidjai szerepet játszhatnak a védelmi válaszok elfojtásában (Shaw és Long, 2003; D’Haeze és Holsters, 2004; Tellström és mtsai., 2007; Jones és mtsai., 2008; Liang és mtsai., 2013; Cao és mtsai, 2017), de ezek a jelátviteli események nyilvánvalóan nem elég erősek ahhoz, hogy az inkompatibilis kölcsönhatásokban kikerüljék az effektorok által kiváltott immunitást.

Néhány rhizobiumbaktérium a III-as típusú szekréciós rendszert használja arra, hogy effektorokat juttasson a gazdasejtekbe a fertőzés elősegítése érdekében, és bizonyos helyzetekben a szállított effektor(ok)ra van szükség a Nod-faktortól független nodulációhoz, amint azt a szója-B. elkanii szimbiózisban kimutatták (Deakin és Broughton, 2009; Okazaki et al., 2013, 2016). Másrészt azonban az effektorok felismerése a gazdaszervezet rezisztenciagénjei által immunválaszt vált ki a rizobiumfertőzés korlátozására. A nodulációs rezisztenciagének gyakran fordulnak elő a természetes populációkban, ami felveti a kérdést, hogy miért fejlődnek ki és tartanak fenn ilyen látszólag kedvezőtlen allélokat a gazdaszervezetek. Ez kiegyensúlyozó szelekció miatt történhet, mivel ugyanezek az allélek hozzájárulhatnak a kórokozókkal szembeni betegségrezisztenciához is, figyelembe véve, hogy egyes rizobium effektorok homológok a bakteriális kórokozók által szekretált effektorokkal (Dai és mtsai., 2008; Kambara és mtsai., 2009). Alternatív megoldásként a hüvelyesek kihasználhatják az R gének előnyeit, hogy kizárják a kevésbé hatékony nitrogénmegkötő törzsek nodulációját, és szelektíven kölcsönhatásba lépnek a magas nitrogénmegkötési hatékonyságú törzsekkel, ami a szója Rj4 alléljának esete.

A M. truncatulában is azonosítottak egyetlen domináns lókuszt, az NS1-et, amely korlátozza a S. meliloti Rm41 törzs nodulációját (Liu et al., 2014). A szójában az R gén által szabályozott gazdaspecifikussággal ellentétben, amely a baktérium III-as típusú szekréciós rendszerétől függ, az Rm41 törzsből hiányoznak az ilyen rendszert kódoló gének. Érdekes lesz megtudni, hogy milyen gazdagén(ek) szabályozzák ezt a specifitást, és milyen bakteriális jelek játszanak szerepet.

Specificity in Nitrogen Fixation

A szimbiotikus specifitás nem korlátozódik a korai felismerési szakaszokra; inkompatibilis gazdatörzs-kombinációk olyan gócok kialakulásához vezethetnek, amelyek a nitrogénmegkötésben (Fix-) hibásak. Például a Medicago akcessziók egy alapgyűjteményének több S. meliloti törzs felhasználásával végzett szűrése azt mutatta, hogy a növény-törzs kombinációk ∼40%-a termelt gócokat, de nem kötötte meg a nitrogént (Liu és mtsai., 2014). A fix- fenotípus nem a fertőzés hiányának volt köszönhető, hanem a differenciálódás utáni bakteroid degradáció okozta (Yang és mtsai., 2017; Wang és mtsai., 2017, 2018).

A nitrogénkötési specificitás gazdagenetikai kontrollja nagyon bonyolult a Medicago-Sinorhizobium szimbiózisban, több összekapcsolt lokusz bevonásával, komplex episztatikus és allelikus kölcsönhatásokkal. A rekombinációs beltenyésztett vonalpopulációból azonosított maradék heterozigóta vonalak felhasználásával Zhu és munkatársai képesek voltak klónozni két mögöttes gént, nevezetesen az NFS1 és NFS2 géneket, amelyek a S. meliloti Rm41 és A145 törzseket érintő törzs-specifikus nitrogénfixálást szabályozzák (Wang et al., 2017, 2018; Yang et al., 2017). Az NFS1 és az NFS2 egyaránt csomó-specifikus ciszteinben gazdag (NCR) peptideket kódol (Mergaert et al., 2003). Az NFS1 és NFS2 peptidek a bakteriális sejthalált és a korai nodulus-szeneszcenciát allélspecifikus és rizobiumtörzs-specifikus módon provokálják, és működésük a gazdaszervezet genetikai hátterétől függ. Az NCR-ekről korábban kimutatták, hogy a szimbiotikus fejlődés pozitív szabályozói, amelyek nélkülözhetetlenek a terminális bakteriális differenciálódáshoz és a baktériumok túlélésének fenntartásához a gócsejtekben (Van de Velde és mtsai., 2010; Wang és mtsai., 2010; Horváth és mtsai., 2015; Kim és mtsai., 2015). Az NFS1 és NFS2 felfedezése feltárta az NCR-ek negatív szerepét a szimbiózis fennmaradásának szabályozásában, és megmutatta, hogy az NCR-ek a szimbiózis specificitásának gazdaszervezeti meghatározói a M. truncatulában és valószínűleg a közeli rokon hüvelyesekben is, amelyek a szimbionta baktériumokat terminális differenciálódásnak vetik alá.

A M. truncatula és a közeli rokon galegoid hüvelyesek genomja nagyszámú NCR-kódoló gént tartalmaz, amelyek kizárólag a fertőzött csomósejtekben fejeződnek ki (Montiel et al., 2017). Ezek az NCR-gének a bakteriális III. típusú effektorokhoz vagy MAMP-okhoz hasonlóan pozitív és negatív szerepet is játszhatnak a szimbiózis fejlődésében, és mindkét szerepük a peptidek antimikrobiális tulajdonságával függ össze. Egyrészt a gazdaszervezet ezt az antimikrobiális stratégiát a terminális bakteroid differenciálódás elősegítésére használja a nitrogénkötés hatékonyságának növelése érdekében (Oono és Denison, 2010; Oono és mtsai., 2010; Van de Velde és mtsai., 2010; Wang és mtsai., 2010). Másrészt egyes rhizobiumtörzsek nem képesek túlélni bizonyos peptidizoformák antibakteriális aktivitását. Az egyes baktériumtörzsek sebezhetősége egy peptiddel szemben a baktérium genetikai felépítésétől, valamint a gazdaszervezet genetikai hátterétől függ. Azt javasolták, hogy ez a gazdatest-törzs adaptáció hajtja a két szimbiózis partner koevolúcióját, ami a galegoid hüvelyesek NCR génjeinek gyors amplifikációjához és diverzifikációjához vezet (Wang és mtsai., 2017; Yang és mtsai., 2017).

A nitrogénkötő képesség gazdatest-specifikusságát a hüvelyeseknél (pl. szója) is dokumentálták, ahol a baktériumok reverzibilis differenciálódáson mennek keresztül. Szójababban az ilyen típusú inkompatibilitás a fitoalexin felhalmozódás és a csomósejtekben kialakuló túlérzékenységi reakció indukciójával járt együtt (Parniske és mtsai., 1990). A szójabab genomjában nem léteznek NCR-gének, ami arra utal, hogy új genetikai mechanizmusok közreműködésével szabályozzák ezt a specifitást. Laboratóriumunkban jelenleg is folyik a munka az érintett gazdagének azonosítására.

Következtetés és jövőbeli kilátások

A hüvelyes-rhizobium szimbiózisban a specifitás a két szimbiózis partner közötti jelcserék sorozatának eredménye (összefoglalva az 1. ábrán). A legújabb vizsgálatok még csak most kezdik feltárni azokat a mögöttes molekuláris mechanizmusokat, amelyek ezt a specificitást szabályozzák, és számos kihívást jelentő kérdés vár megválaszolásra. Kimutatták, hogy az effektorok által kiváltott immunitás fontos tényező a szójában a rhizobiumok gazdaszervezeti hatókörének meghatározásában, de a rokon effektorokat nem határozták meg egyértelműen. Ezenkívül melyek azok a gének, amelyek a nodulációs specificitást szabályozzák a Medicago-Sinorhizobium kölcsönhatásban, ahol a baktériumpartner nem rendelkezik III-as típusú szekréciós rendszerrel? Az NS1 lokusz klónozása és jellemzése M. truncatulában (Liu et al., 2014) újszerű betekintést nyújt majd ebbe a kérdésbe. Ma már tudjuk, hogy az NCR peptidek szabályozzák a nitrogénkötési specificitást a Medicagóban és valószínűleg más, közeli rokon hüvelyesekben is, de hiányzik a mechanisztikus megértés arról, hogy ezek a peptidek hogyan működnek. Vajon a pro- és antiszimbionta peptidek ugyanazokkal a baktérium célpontokkal lépnek kölcsönhatásba? Hogyan befolyásolják az aminosavcserék a peptid szerkezetét és működését? Hogyan szabályozzák a nitrogénmegkötési specificitást az NCR-hiányos hüvelyesekben, például a szójában, ahol a baktériumok reverzibilis differenciálódáson mennek keresztül? Ez csak egy maroknyi megoldásra váró kérdés. E kérdések megválaszolása minden bizonnyal gazdagítani fogja a specificitás szabályozásának módjára vonatkozó ismereteinket, és lehetővé teszi számunkra, hogy ezeket az ismereteket felhasználjuk a hüvelyesek szimbionta nitrogénmegkötésének genetikai fejlesztésére szolgáló eszközök kifejlesztésére.

1. ábra

1. ábra. A felismerési specifitásban részt vevő szimbiózis szignalizáció és növényi immunitás a hüvelyesek és a rizobiumok kölcsönhatásaiban (piros csillagokkal jelölve). (A) A fertőzés és a gócképződés folyamata. Az érett indeterminált góc tartalmaz egy merisztémazónát (I), egy fertőzési zónát (II), egy interzónát (IZ), egy nitrogénkötő zónát (III) és egy szeneszcens zónát (IV). (B) A gazdaszervezet flavonoidokat választ ki, hogy a NodD fehérjék aktiválásával indukálja a bakteriális nodulációs (nod) gén kifejeződését. A nod-gének által kódolt enzimek a nod-faktorok (NF) szintéziséhez vezetnek, amelyeket a gazdaszervezet nod-faktor receptorai (NFR) felismernek. A felismerési specificitás mind a flavonoidok és a NodD-k, mind az NF és az NFR-ek között fennáll. (C) Az NF jelátvitel mellett a baktériumok extracelluláris poliszacharidokat (EPS) és III. típusú effektorokat is termelnek, hogy kompatibilis kölcsönhatásokban megkönnyítsék a fertőzésüket, de ezek a molekulák inkompatibilis kölcsönhatásokban a fertőzéssel szembeni ellenállást okozó immunválaszt is kiválthatnak. (D) Egyes hüvelyesek, mint például a Medicago, antimikrobiális csomóspecifikus ciszteinben gazdag (NCR) peptideket kódolnak, hogy baktériumpartnereiket a nitrogénmegkötéshez szükséges terminális differenciálódásra késztessék. Egyes rhizobiumtörzsek azonban nem képesek túlélni bizonyos peptid-izoformák antibakteriális hatását, ami a nitrogénmegkötésben hibás csomók kialakulásához vezet.

Author Contributions

A felsorolt szerzők mindegyike jelentősen, közvetlenül és intellektuálisan hozzájárult a munkához, és jóváhagyta azt a publikáláshoz.

Finanszírozás

Ezt a munkát az Egyesült Államok Mezőgazdasági Minisztériumának/National Institute of Food and Agriculture, Agriculture and Food Research Initiative Grant 2014-67013-21573, a Kentucky Science and Engineering Foundation Grant 2615-RDE-015 és a Kentucky Soybean Promotion Board támogatta.

Conflict of Interest Statement

A szerzők kijelentik, hogy a kutatást olyan kereskedelmi vagy pénzügyi kapcsolatok hiányában végezték, amelyek potenciális összeférhetetlenségként értelmezhetők.

Aslam, S. N., Newman, M. A., Erbs, G., Morrissey, K. L., Chinchilla, D., Boller, T., et al. (2008). A bakteriális poliszacharidok elnyomják az indukált veleszületett immunitást a kalcium-kelettel. Curr. Biol. 18, 1078-1083. doi: 10.1016/j.cub.2008.06.061