Fronteiras | Mecanismos Genéticos e Moleculares Subjacentes à Especificidade Simbiótica nas Interacções Legume-Rizobium | Plant Science

Introdução
Especificidade mediada por Flavonóides e o Reconhecimento Flavonóide-NodD
Especificidade mediada pela Percepção do Fator Nod
Especificidade mediada pela Percepção de Exopolissacarídeos Rizobiais
Especificidade mediada pela imunidade inata do hospedeiro
Especificidade na Fixação de Nitrogênio
Conclusão e Perspectivas Futuras
Author Contributions
Fundação
Conflict of Interest Statement

Introdução

A simbiose legume-rizobial começa com uma troca de sinal entre a planta hospedeira e o seu microssímbone (Oldroyd, 2013). O reconhecimento de bactérias compatíveis pelo hospedeiro induz divisões de células corticais para formar nódulos primordiais radiculares e, simultaneamente, inicia um processo de infecção para entregar as bactérias nas células nódulos. A infecção da maioria das leguminosas envolve o desenvolvimento de fios de infecção de origem vegetal que se iniciam no pêlo da raiz. Os fios de infecção que abrigam as bactérias que dividem as células epidérmicas crescem através da camada celular epidérmica para as células nódulos, onde as bactérias são liberadas e internalizadas em um processo semelhante à endocitose. Nas células nódulos, as bactérias individuais são encerradas por uma membrana de origem vegetal, formando uma estrutura tipo organela chamada simbiossoma, dentro da qual as bactérias se diferenciam ainda mais em bacteróides fixadores de nitrogênio (Jones et al., 2007; Oldroyd et al., 2011).

Desenvolvimento de nódulos simbiônticos envolve diferenciação síncrona tanto de nódulos quanto de células bacterianas. Os nódulos de leguminosas podem ser agrupados em dois tipos principais: indeterminados (por exemplo, ervilhas, trevos e Medicago) e determinados (por exemplo, soja, feijão comum e Lotus) (Nap and Bisseling, 1990; Hirsch, 1992). Nódulos indeterminados originam-se de divisões celulares no córtex interno e possuem um meristema apical persistente. Consequentemente, nódulos indeterminados têm forma cilíndrica, com um gradiente de desenvolvimento desde o ápice até a base do nódulo, que pode ser dividido em diferentes zonas de nódulos (Nap e Bisseling, 1990). Em contraste, os nódulos determinados resultam de divisões celulares no córtex médio/extremo da raiz, carecem de um meristema persistente e têm forma esférica. As divisões celulares de um nódulo determinado cessam nos estágios iniciais de desenvolvimento e o nódulo maduro se desenvolve através do aumento celular; como tal, as células infectadas se desenvolvem mais ou menos sincronizadas com o estágio de fixação de nitrogênio. Em ambos os tipos de nódulos, as células de nódulos simbióticos sofrem endoreduplicação do genoma, levando à polioploidização e ao aumento celular. Paralelamente ao desenvolvimento dos nódulos celulares, há a diferenciação das bacteróides fixadoras de nitrogênio. Dependendo do hospedeiro, mas independentemente do tipo de nódulo, tal diferenciação bacteriana pode ser terminal ou reversível. A diferenciação terminal é caracterizada pela endoreduplicação do genoma, alongamento celular, aumento da permeabilidade da membrana e perda da capacidade reprodutiva, enquanto que na diferenciação reversível as bacteróides retêm o tamanho celular e o conteúdo de DNA semelhante às bactérias de vida livre (Kereszt et al., 2011; Oldroyd et al., 2011; Haag et al., 2013). Comparadas às bactérias de vida livre, as bacteróides apresentam mudanças dramáticas no transcriptoma, na estrutura da superfície celular e nas atividades metabólicas para que se adaptem melhor ao ambiente intracelular e se dediquem à fixação de nitrogênio (Mergaert et al., 2006; Prell e Poole, 2006; Haag et al., 2013).

As leguminosas e as bactérias rizóbias são filogenéticamente diversas. Nenhuma estirpe rizobial pode formar uma simbiose com todas as leguminosas, e vice-versa. A especificidade ocorre tanto a nível das espécies como a nível genotípico (Broughton et al., 2000; Perret et al., 2000; Wang et al., 2012). Isto pode ocorrer em estágios iniciais da interação de modo que as mesmas cepas bacterianas possam infectar e nodular uma planta hospedeira mas não outra (Yang et al., 2010; Wang et al., 2012; Tang et al., 2016; Fan et al., 2017). A incompatibilidade também acontece freqüentemente em estágios posteriores do desenvolvimento de nódulos, de modo que a eficiência de fixação de nitrogênio difere significativamente entre diferentes combinações de bactérias vegetais (Wang et al., 2012, 2017, 2018; Yang et al., 2017). A especificidade simbiótica resulta da mudança de sinais tanto do lado do hospedeiro como do lado bacteriano; como tal, vários mecanismos de reconhecimento têm evoluído durante o processo de co-adaptação. O conhecimento da base genética e molecular da especificidade simbiótica é importante para o desenvolvimento de ferramentas de manipulação genética do hospedeiro ou da bactéria, a fim de aumentar a eficiência da fixação do nitrogênio. Nesta revisão, discutiremos nosso entendimento atual da evolução da especificidade na simbiose nodular de raiz.

Especificidade mediada por Flavonóides e o Reconhecimento Flavonóide-NodD

Em condições de limitação de nitrogênio, as raízes das leguminosas secretam um coquetel de compostos flavonóides para a rizosfera, e servem para ativar a expressão de um grupo de genes de nodulação bacteriana (aceno), levando à síntese do fator Nod, um sinal lipocitooligossacarídeo que é essencial para iniciar o desenvolvimento simbiótico na maioria das leguminosas (Oldroyd et al., 2011). A indução da expressão do gene nodoso é mediada pelas proteínas NodD ativadas por flavonóides, que são reguladores de transcrição do tipo LysR (Long, 1996). As nodD ativam a expressão do gene nod através da ligação aos motivos do DNA conservado (nod boxes) a montante dos óperos nodados (Rostas et al., 1986; Fisher et al., 1988).

As proteínas nodD de diferentes rizóbios são adaptadas para reconhecer diferentes flavonóides secretados por diferentes leguminosas, e esta especificidade de reconhecimento define um ponto de verificação precoce da simbiose (Peck et al., 2006). Apesar da ausência de evidência direta de interação física entre as duas moléculas, os flavonoides têm se mostrado capazes de estimular a ligação de NodD para acenar com promotores gênicos no Sinorhizobium meliloti (Peck et al., 2006). Está bem documentado que a troca entre estirpes de genes nodD pode alterar a resposta da estirpe receptora a um conjunto diferente de indutores flavonóides e, portanto, a gama de hospedeiros (Horváth et al., 1987; Perret et al., 2000). Por exemplo, a transferência de nodD1 do simbionte da ampla faixa hospedeiro Rhizobium sp. NGR234 para a faixa hospedeiro restrita Rhizobium leguminosarum biovar trifolii ANU843 permitiu que a cepa receptora nodulasse a Parasponia não leguminosa, porque a proteína NodD1 de ampla faixa hospedeira é capaz de reconhecer um espectro mais amplo de indutores flavonóides (Bender et al, 1988).

A evidência da importância dos flavonóides na determinação da gama de hospedeiros provém principalmente da genética bacteriana, e os genes vegetais envolvidos são menos estudados. Como as raízes das leguminosas secretam uma mistura complexa de compostos flavonóides, é difícil identificar quais flavonóides desempenham um papel mais crítico, e quando e onde são produzidos. Estudos recentes em soja e truncatula Medicago destacaram os principais flavonóides necessários para a infecção rizobial (revisado em Liu e Murray, 2016). Estes chamados “flavonóides de infecção” são fortes indutores de genes de aceno, secretados por raízes, altamente acumulados nos locais de infecção, e mostram aumento da biossíntese em resposta à infecção por rhizobia compatível. Embora a luteolina tenha sido o primeiro flavonóide identificado que pode induzir a expressão do gene nod em uma ampla gama de cepas rizóbias, ela não é específica de leguminosas, produzida principalmente em sementes germinativas, e não foi detectada em exsudados radiculares ou nódulos. Em contraste, o metoxiconachalcone mostrou ser um dos fortes sinais de infecção do hospedeiro Medicago e leguminosas estreitamente relacionadas que formam nódulos indeterminados, enquanto a genisteína e a daidzeína são sinais cruciais dos grãos de soja que formam nódulos determinantes. Parte dos compostos flavonóides também podem funcionar como fitoalexinas, agindo para reforçar a especificidade da simbiose (Liu e Murray, 2016). Por exemplo, Bradyrhizobium japonicum e Mesorhizobium loti, mas não o simbionte Medicago S. meliloti, são suscetíveis à isoflavonóide medicarpin produzida por Medicago spp. (Pankhurst e Biggs, 1980; Breakspear et al, 2014), e os simbiontes de soja B. japonicum e S. frediii são resistentes à glicose quando expostos à genisteína e à daidzeína (Parniske et al., 1991).

Especificidade mediada pela Percepção do Fator Nod

Os fatores Nod produzidos pela rizobia são um componente de sinalização essencial para o desenvolvimento da simbiose na maioria das leguminosas. Os fatores de nod são lipocito-oligossacarídeos, consistindo de quatro ou cinco resíduos de N-acetil-glucosamina 1,4-linked que carregam uma cadeia de acilo gordo de comprimento variável ligada à posição C-2 da extremidade não redutora e várias decorações químicas específicas da espécie, tanto na extremidade redutora como na não redutora (Dénarié et al., 1996). Os genes nodABC comuns contribuem para a síntese da espinha dorsal da quitina, enquanto outros genes nodABC específicos da cepa agem para modificar a espinha dorsal, alterando o tamanho e saturação da cadeia de acilo, ou adicionando às unidades terminais de açúcar com grupos acetil, metil, carbamoyl, sulfuryl ou glicosyl. Variações estruturais nos fatores de Nod são um determinante chave da gama de hospedeiros, porque esses fatores de Nod têm que ser reconhecidos pelo hospedeiro para iniciar a infecção e nodulação (Perret et al, 2000; D’Haeze and Holsters, 2002).

Os fatores de Nod são percebidos pelos receptores dos fatores de Nod (por exemplo, NFR1 e NFR5 no Lotus japonicus), que são kinases receptoras contendo LysM (Limpens et al., 2003; Madsen et al., 2003; Radutoiu et al., 2003). A ligação direta dos fatores Nod aos domínios extracelulares de LysM do complexo receptor leva à ativação das vias de sinalização de nodulação a jusante (Broghammer et al., 2012). A especificidade na ligação dos fatores de Nod é amplamente considerada crítica para o reconhecimento entre os possíveis parceiros simbióticos. Esta hipótese tem sido fortemente apoiada por evidências genéticas, mesmo que tal especificidade de ligação não tenha sido demonstrada. Os melhores exemplos são da simbiose ervilha-R. leguminosarum onde mutantes bacterianos do gene nod nodular que levam à alteração da composição ou estrutura do fator Nod exibiram nodulação genotípica específica (Firmin et al., 1993; Bloemberg et al., 1995). Esta alteração do intervalo do hospedeiro corresponde a variações alélicas no locus Sym2/Sym37/PsK1, uma região ortológica de NFR1 que contém um cluster de kinases receptoras de LysM (Zhukov et al., 2008; Li et al., 2011). Neste caso, a variação alélica associada à duplicação e diversificação gênica contribui para alterações na compatibilidade simbiótica.

O reconhecimento do fator nod tem presumivelmente um papel mais crítico na determinação da gama de hospedeiros a nível da espécie, o que tem sido melhor ilustrado no lado bacteriano. No entanto, os polimorfismos naturais nos receptores dos factores de nodulação responsáveis pela especificidade da nodulação entre diferentes leguminosas não foram bem estudados a nível genético, simplesmente porque as plantas não podem ser intercrescidas. Entretanto, a transferência de NFR1 e NFR5 de L. japonicus para M. truncatula permite a nodulação dos transformantes pelo simbionte de L. japonicus Mesorhizobium loti (Radutoiu et al, 2007).

Especificidade mediada pela Percepção de Exopolissacarídeos Rizobiais

Além dos fatores Nod, os polissacarídeos de superfície rizobial como os exopolissacarídeos (EPS), lipopolissacarídeos (LPS) e polissacarídeos capsulares (KPS) também são considerados importantes para estabelecer relações simbióticas (Fraysse et al, 2003; Becker et al., 2005; Jones et al., 2007; Gibson et al., 2008). Esses componentes de superfície são propostos para serem capazes de suprimir a defesa das plantas, mas seus papéis ativos na promoção de infecção bacteriana e nodulação permanecem elusivos e dependem das interações específicas estudadas.

Exopolissacarídeos têm se mostrado necessários para infecção rizobial em múltiplas interações simbióticas. Isso foi melhor ilustrado na simbiose Sinorhizobium-Medicago, na qual o succinoglicano, um importante EPS produzido por S. meliloti, é necessário para o início e alongamento dos fios de infecção, e o aumento da produção de succinoglicanos aumenta a capacidade de nodulação (Leigh et al., 1985; Reinhold et al., 1994; Cheng e Walker, 1998; Jones, 2012). Entretanto, o papel simbiótico do EPS é muito complicado na interação Mesorhizobium-Lotus (Kelly et al., 2013). Por exemplo, um subconjunto de mutantes de EPS de M. loti R7A apresentou deficiências graves de nodulação em L. japonicus e L. corniculatus, enquanto outros mutantes formaram nódulos eficazes (Kelly et al., 2013). Em particular, os mutantes R7A com deficiência na produção de um octasacarídeo ácido EPS foram capazes de nodular normalmente L. japonicus, enquanto os mutantes exoU que produziram um pentasacarídeo truncado EPS não conseguiram invadir o hospedeiro. Foi proposto que o EPS de comprimento total serve como um sinal para hospedeiros compatíveis para modular as respostas de defesa da planta e permitir infecção bacteriana, e mutantes R7A que não produzem EPS poderiam evitar ou suprimir o sistema de vigilância da planta e, portanto, manter a capacidade de formar nódulos. Em contraste, cepas que produzem EPS modificado ou truncado disparam respostas de defesa das plantas resultando em bloqueio de infecção (Kelly et al., 2013).

A produção de EPS é comum em bactérias rizóbias, e a composição do EPS produzido por diferentes espécies varia muito (Skorupska et al., 2006). Vários estudos sugeriram o envolvimento das estruturas do EPS na determinação da especificidade infecciosa (Hotter e Scott, 1991; Kannenberg et al., 1992; Parniske et al., 1994; Kelly et al., 2013). Recentemente, um receptor EPS (EPR3) foi identificado em L. japonicus, que é uma proteína localizada na superfície celular contendo três domínios LysM extracelulares e um domínio intracelular cinase (Kawaharada et al., 2015). EPR3 liga o EPS rizobial de uma forma estruturalmente específica. Curiosamente, a expressão do gene Epr3 está dependente da sinalização do fator Nod, sugerindo que a entrada bacteriana no hospedeiro é controlada por dois passos sucessivos de reconhecimento mediado pelo receptor do fator Nod e sinais EPS (Kawaharada et al., 2015, 2017). A interação receptor-ligante suporta a noção de que o reconhecimento do EPS desempenha um papel na regulação da especificidade da simbiose. No entanto, a variação natural na especificidade de alcance do hospedeiro que resulta do reconhecimento específico entre os receptores do hospedeiro e o EPS específico da tensão não foi demonstrada em nenhuma interação legumo-rizobial. É interessante notar que o EPS ácido de patógenos bacterianos também promove infecção para causar doenças de plantas (Newman et al., 1994; Yu et al., 1999; Aslam et al., 2008; Beattie, 2011). Assim, o EPS rizobial também pode ser reconhecido pelos receptores imunes do hospedeiro para induzir respostas de defesa que regulam negativamente o desenvolvimento da simbiose.

Especificidade mediada pela imunidade inata do hospedeiro

Bactérias simbióticas e patogênicas freqüentemente produzem moléculas de sinalização similares para facilitar sua invasão do hospedeiro (Deakin e Broughton, 2009). Estas moléculas incluem padrões moleculares associados a micróbios conservados (MAMPs) e efetores segregados (D’Haeze e Holsters, 2004; Fauvart e Michiels, 2008; Deakin e Broughton, 2009; Soto et al., 2009; Downie, 2010; Wang et al., 2012; Okazaki et al., 2013). O hospedeiro desenvolveu mecanismos de reconhecimento para distinguir e responder de forma diferente a patógenos e simbiontes (Bozsoki et al., 2017; Zipfel e Oldroyd, 2017). No entanto, esta discriminação nem sempre é bem sucedida; como resultado, a especificidade do reconhecimento ocorre frequentemente tanto nas interacções patogénicas como simbióticas. Na interação legume-rizobial, a imunidade de plantas acionadas por receptores hospedeiros também desempenha um papel importante na regulação da gama de hospedeiros de rizóbios (Yang et al., 2010; Wang et al., 2012; Faruque et al., 2015; Kawaharada et al, 2015; Tang et al., 2016).

Genes dominantes transversais foram clonados em grãos de soja (por exemplo, Rj2, Rfg1, e Rj4) que restringem a nodulação por cepas específicas de rizóbios (Yang et al., 2010; Tang et al., 2016; Fan et al., 2017). Nesses casos, a restrição da nodulação é controlada de forma semelhante à resistência “gene por gene” contra patógenos vegetais. Rj2 e Rfg1 são genes alélicos que codificam uma proteína típica de resistência TIR-NBS-LRR conferindo resistência a múltiplas cepas de B. japonicum e Sinorhizobium fredii (Yang et al., 2010; Fan et al., 2017). Rj4 codifica uma proteína relacionada à defesa taumatina que restringe a nodulação por cepas específicas de B. elkanii (Tang et al., 2016). A função desses genes é dependente do sistema de secreção bacteriana tipo III e seus efetores segregados (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). Estes estudos indicam um papel importante da imunidade acionada por efetores na regulação da especificidade da nodulação em grãos de soja. Como discutido anteriormente, fatores de nodulação rizobial e polissacarídeos de superfície poderiam desempenhar um papel na supressão das respostas de defesa (Shaw e Long, 2003; D’Haeze e Holsters, 2004; Tellström et al., 2007; Jones et al., 2008; Liang et al., 2013; Cao et al, 2017), mas esses eventos de sinalização aparentemente não são fortes o suficiente para evitar a imunidade do efetor em interações incompatíveis.

Muitas bactérias rizobiais usam o sistema de secreção tipo III para fornecer efetores às células hospedeiras para promover a infecção, e em certas situações, o(s) efetor(es) fornecido(s) é(são) necessário(s) para nodulação independente do fator Nod, como demonstrado na simbiose soja-B. elkanii (Deakin e Broughton, 2009; Okazaki et al., 2013, 2016). Por outro lado, entretanto, o reconhecimento dos efetores pelos genes de resistência do hospedeiro desencadeia respostas imunes para restringir a infecção rizobial. Os genes de resistência à nodulação ocorrem frequentemente em populações naturais, levantando a questão de porque o hospedeiro evolui e mantém tais alelos aparentemente desfavoráveis. Isto pode acontecer devido ao equilíbrio da seleção, já que os mesmos alelos também podem contribuir para a resistência à doença contra patógenos, considerando que alguns agentes rizobiais são homólogos aos segregados por patógenos bacterianos (Dai et al., 2008; Kambara et al., 2009). Alternativamente, os genes R podem tirar vantagem dos genes R para excluir a nodulação com cepas fixadoras de nitrogênio menos eficientes e interagir seletivamente com cepas com alta eficiência de fixação de nitrogênio, que é o caso do alelo Rj4 da soja.

Um único locus dominante, chamado NS1, também foi identificado em M. truncatula que restringe a nodulação pela cepa S. meliloti Rm41 (Liu et al., 2014). Ao contrário da especificidade do hospedeiro R de soja, que depende do sistema de secreção bacteriana tipo III, a cepa Rm41 carece de genes que codifiquem tal sistema. Será interessante saber qual gene(s) hospedeiro(s) controla(m) esta especificidade e quais sinais bacterianos estão envolvidos.

Especificidade na Fixação de Nitrogênio

A especificidade simbiótica não está confinada aos estágios iniciais de reconhecimento; combinações incompatíveis entre hospedeiro-deformação podem levar à formação de nódulos que são defeituosos na fixação de nitrogênio (Fix-). Por exemplo, uma tela de uma coleção central de adesões Medicago usando múltiplas cepas de S. meliloti mostrou que ∼40% das combinações planta-deformação produziram nódulos mas não conseguiram fixar nitrogênio (Liu et al., 2014). O fenótipo Fix- não foi devido à falta de infecção, mas causado pela degradação bacteróide após diferenciação (Yang et al., 2017; Wang et al., 2017, 2018).

O controle genético do hospedeiro da especificidade da fixação de nitrogênio é muito complicado na simbiose Medicago-Sinorhizobium, envolvendo múltiplos loci ligados com complexas interações epistêmicas e alélicas. Usando as linhas heterozigotas residuais identificadas a partir de uma população de linhagens recombinadas, Zhu e colegas foram capazes de clonar dois dos genes subjacentes, nomeadamente NFS1 e NFS2, que regulam a fixação de nitrogénio específico da estirpe S. meliloti Rm41 e A145 (Wang et al., 2017, 2018; Yang et al., 2017). NFS1 e NFS2 codificam ambos peptídeos ricos em cistos específicos de nódulos (NCR) (Mergaert et al., 2003). Os peptídeos NFS1 e NFS2 funcionam para provocar a morte bacteriana das células e a senescência precoce dos nódulos de uma forma específica para alelos e rizóbios, e sua função depende do fundo genético do hospedeiro. As NCRs mostraram ser reguladores positivos do desenvolvimento simbiótico, essenciais para a diferenciação bacteriana terminal e para a manutenção da sobrevivência bacteriana nas células nódulos (Van de Velde et al., 2010; Wang et al., 2010; Horváth et al., 2015; Kim et al., 2015). A descoberta da NFS1 e NFS2 revelou um papel negativo que as NCRs desempenham na regulação da persistência simbiótica, e mostrou que as NCRs são determinantes da especificidade simbiótica no M. truncatula e possivelmente também em leguminosas estreitamente relacionadas que sujeitam suas bactérias simbióticas à diferenciação terminal.

Os genomas do M. truncatula e leguminosas galegoides estreitamente relacionadas contêm um grande número de genes codificadores de NCR que são expressos exclusivamente nas células nodulares infectadas (Montiel et al.., 2017). Estes genes NCR, semelhantes aos da bactéria tipo III ou MAMPs, podem desempenhar papéis positivos e negativos no desenvolvimento simbiótico e ambos os papéis estão associados à propriedade antimicrobiana dos peptídeos. Por um lado, o hospedeiro utiliza essa estratégia antimicrobiana para promover a diferenciação bacteriana terminal para aumentar a eficiência da fixação de nitrogênio (Oono e Denison, 2010; Oono et al., 2010; Van de Velde et al., 2010; Wang et al., 2010). Por outro lado, algumas cepas rizóbias não conseguem sobreviver à atividade antibacteriana de certas isoformas peptídeas. A vulnerabilidade de determinadas estirpes bacterianas em resposta a um peptídeo está dependente da constituição genética da bactéria, bem como do fundo genético do hospedeiro. Foi proposto que esta adaptação do hospedeiro-estirpe conduz à coevolução dos dois parceiros simbióticos, levando à rápida amplificação e diversificação dos genes NCR em leguminosas galegoides (Wang et al., 2017; Yang et al., 2017).

A especificidade da gama de hospedeiros na capacidade de fixar nitrogênio também foi documentada em leguminosas (por exemplo, soja) onde as bactérias sofrem diferenciação reversível. Na soja, este tipo de incompatibilidade foi associado com a indução de acúmulo de fitoalexina e reação hipersensível nas células nodulares (Parniske et al., 1990). Não existem genes NCR no genoma da soja, o que implica no envolvimento de novos mecanismos genéticos que controlam essa especificidade. Está em andamento um trabalho em nosso laboratório para identificar os genes hospedeiros que estão envolvidos.

Conclusão e Perspectivas Futuras

Específica simbiose legumo-rizobial resulta de um conjunto de trocas de sinais entre os dois parceiros simbióticos (resumidos na Figura 1). Estudos recentes acabam de começar a revelar os mecanismos moleculares subjacentes que regulam esta especificidade, e há muitas questões desafiadoras à espera de serem respondidas. A imunidade acionada por efeito mostrou ser um fator importante na determinação da gama de hospedeiros de rizóbios na soja, mas os cognatos efetores não foram claramente definidos. Além disso, quais são os genes que controlam a especificidade da nodulação na interação Medicago-Sinorhizobium onde o parceiro bacteriano não possui o sistema de secreção tipo III? A clonagem e caracterização do locus NS1 em M. truncatula (Liu et al., 2014) fornecerá novos insights sobre esta questão. Sabemos agora que os peptídeos NCR regulam a especificidade da fixação de nitrogênio em Medicago e possivelmente em outras leguminosas intimamente relacionadas, mas nos falta compreensão mecanicista de como esses peptídeos funcionam. Os peptídeos pró- e antibióticos interagem com os mesmos alvos bacterianos? Como é que as substituições amino-ácidas afectam a estrutura e função dos peptídeos? Como a especificidade da fixação de nitrogênio é regulada nas leguminosas sem NCR, como a soja, onde as bactérias sofrem diferenciação reversível? Estas são apenas algumas das questões pendentes que precisam ser abordadas. A resposta a essas perguntas certamente enriquecerá nosso conhecimento sobre como a especificidade é controlada e nos permitirá usar esse conhecimento para desenvolver ferramentas para o melhoramento genético da fixação simbiótica de nitrogênio nas leguminosas.

FIGURA 1

FIGURA 1. Sinalização da simbiose e imunidade das plantas envolvidas na especificidade de reconhecimento nas interações legumo-rizóbias (indicadas pelas estrelas vermelhas). (A) O processo de infecção e desenvolvimento de nódulos. Um nódulo maduro indeterminado contém uma zona de meristema (I), uma zona de infecção (II), uma interzona (IZ), uma zona de fixação de nitrogénio (III) e uma zona senescente (IV). (B) O hospedeiro segrega flavonóides para induzir a expressão do gene da nodulação bacteriana (aceno) através da ativação das proteínas NodD. As enzimas codificadas pelos genes de nodulação levam à síntese de fatores de nodulação (NF) que são reconhecidos pelos receptores dos fatores de nodulação (NFRs) do hospedeiro. A especificidade do reconhecimento ocorre tanto entre Flavonoides e NodDs quanto entre NF e NFRs. (C) Além da sinalização do NF, as bactérias também produzem polissacarídeos extracelulares (EPS) e efetores tipo III para facilitar sua infecção em interações compatíveis, mas essas moléculas também podem induzir respostas imunes causando resistência à infecção em interações incompatíveis. (D) Determinadas leguminosas, como os peptídeos ricos em cisteína (NCR), codificados por Medicago, para levar seus parceiros bacterianos à diferenciação terminal que é necessária para a fixação de nitrogênio. Entretanto, algumas linhagens rizobiais não conseguem sobreviver à atividade antibacteriana de certas isoformas peptídeas, levando à formação de nódulos defeituosos na fixação de nitrogênio.

Author Contributions

Todos os autores listados fizeram uma contribuição substancial, direta e intelectual ao trabalho, e o aprovaram para publicação.

Fundação

Este trabalho foi apoiado pelo Departamento de Agricultura dos Estados Unidos/ Instituto Nacional de Alimentos e Agricultura, Agricultura e Iniciativa de Pesquisa de Alimentos, Subvenção 2014-67013-21573, Subvenção 2615-RDE-015 da Fundação de Ciência e Engenharia do Kentucky, e pelo Conselho de Promoção da Soja do Kentucky.

Conflict of Interest Statement

Os autores declaram que a pesquisa foi conduzida na ausência de quaisquer relações comerciais ou financeiras que pudessem ser interpretadas como um potencial conflito de interesses.

Aslam, S. N.., Newman, M. A., Erbs, G., Morrissey, K. L., Chinchilla, D., Boller, T., et al. (2008). Os polissacarídeos bacterianos suprimem a imunidade inata induzida pela quelação do cálcio. Moeda. Biol. 18, 1078-1083. doi: 10.1016/j.cub.2008.06.061