¿Qué significa expresión genética inducida?

Expresión inducida de genes

Wang Jinsheng

El fenómeno de activación o expresión mejorada de genes del huésped y del patógeno debido a su interacción. La mayoría de los genes de plantas y patógenos se expresan constitutivamente, pero también hay genes que juegan un papel importante en la interacción que se inducen y expresan, incluida la inducción del huésped por el patógeno y la inducción del patógeno por el huésped. La inducción ocurre como resultado del intercambio de información entre el huésped y el patógeno.

Expresión inducida de genes patógenos

Los genes inducidos por patógenos incluyen genes de enzimas degradantes extracelulares, genes de desintoxicación de defensa vegetal, genes relacionados con el crecimiento y desarrollo en hongos y genes relacionados con el crecimiento y desarrollo en hongos de genes avirulentos que interactúan con genes de resistencia a enfermedades del huésped, etc.

Gen de la enzima degradativa extracelular

La enzima degradativa extracelular es un factor patógeno importante para hongos y bacterias patógenos de plantas, degradando la cutícula y la pared celular de la superficie de las plantas. Entre ellos, el huésped induce la cutina hidrolasa y la enzima que degrada la pectina.

Inducción de la cutina hidrolasa

La cutina hidrolasa especializada de Fusarium solani y guisante está relacionada con la capacidad de las hifas de los hongos para penetrar la cutícula de la planta. Agregar monómero de cutina al medio de cultivo puede acelerar la acumulación de esta enzima. Los polisomas de cutina en las plantas son degradados por una pequeña cantidad de cutinasa expresada estructuralmente por hongos para liberar monómeros de cutina. Los monómeros de cutina inducen los tubos germinales para producir una actividad enzimática que degrada la cutina y alcanza un nivel que puede penetrar en el huésped. A nivel transcripcional, se ha demostrado que los monómeros de cutina pueden inducir genes nucleares de hongos para producir transcripciones de cutinasa (Figura 1).

Figura 1 Diagrama esquemático de la expresión del gen de la cutinasa de esporas fúngicas inducida por plantas (citado de P.E. Kolattukudy, 1991)

Inducción de pectinasa

Según el mecanismo de degradación , Las glutasas de frutas se dividen en dos categorías: enzimas líticas y enzimas hidrolíticas. La poligalacturonasa se induce en varios hongos fitopatógenos, como Botrytis fabae, Botrytis cinerea y tomate Fusarium oxysporum. Las pectina liasas inducidas en Erwinia carotovora subsp. carotovora y Erwinia chrysanthemi. Las sustancias inductoras que inducen la pectinasa son productos de degradación de los polisacáridos de la pared celular de la planta huésped. La investigación sobre las enzimas que degradan la pared celular de los hongos ha demostrado que durante la degradación de las paredes celulares de las plantas, debido a las diferentes sustancias de inducción que aparecen en las diferentes etapas, las enzimas inducidas sucesivamente también serán diferentes, lo que resulta beneficioso para la infección exitosa de los patógenos. Esto se debe a que ciertos componentes de las células vegetales pueden servir como desencadenantes de respuestas de defensa del huésped. Cuanto menor sea la degradación de la pared celular del huésped, mejor, al tiempo que se garantiza la invasión de patógenos.

Gen de desintoxicación de fitodefensinas

La síntesis y acumulación de fitodefensinas es una respuesta de defensa del huésped. Hay dos tipos de enzimas que metabolizan y desintoxican las fitodefensinas: estructurales e inducibles. Las enzimas de desintoxicación inducibles son inducidas por los correspondientes factores de defensa de las plantas. Por ejemplo, la vipicina y sus análogos estructurales inducen la enzima de desintoxicación de la vipicina. La enzima desintoxicante de la vipicina es la vipicina desmetilasa (PDA para abreviar). El efecto desintoxicante del PDA producido por Erythrococcobacter sobre la vipicina es convertirla en 3,6-dihidroxi-8,9-dimetildihidroxipteranosina menos tóxica. El gen que codifica PDA ha sido clonado y la vicilina puede inducir su transcripción. Se utilizaron métodos de análisis genético para demostrar que la capacidad de este hongo patógeno para desmetilar la vicilina está estrechamente relacionada con su patogenicidad.

Genes relacionados con el crecimiento y desarrollo de los hongos

El crecimiento y el desarrollo de los hongos están controlados por genes. Para algunos hongos fitopatógenos, la finalización del ciclo de vida se ve afectada por factores del huésped.

Inducción del crecimiento y desarrollo del hongo Ustilago

El otro hongo Ustilago produce hifas en el huésped, pero solo forma colonias similares a levaduras en el medio de cultivo. El uso de extractos de hojas hospedantes no sólo induce hifas en el medio de cultivo, sino que también promueve el crecimiento y desarrollo de filamentos conjuntivos durante el apareamiento. En algunas especies de Ustilago, los extractos acuosos de las hojas del huésped inducen el crecimiento de hifas pero inhiben la formación de esporas. Los extractos de plantas no hospedantes generalmente no tienen este efecto de inducción. Los resultados del estudio que utilizó extracto de metanol mostraron que tanto el huésped como el no huésped son inductores activos de la etapa parasitaria. La sustancia bioactiva extraída del cántaro de trigo y la chirivía se identificó como α-tocoferol, que es la vitamina E.

Inducción del proceso de desarrollo de las zoosporas de Phytophthora

Después de que las zoosporas de Phytophthora entran en contacto con la superficie de la raíz de la planta, el huésped induce una serie de cambios, como por ejemplo de ausencia de paredes. Las zoosporas se transforman en esporas amuralladas en reposo, que germinan e invaden al huésped.

Según estudios en Phytophthora camphora y Phytophthora palmi, la pectina de cítricos, el ácido poligalacturónico, el alginato y el galacturonato pueden inducir el reposo y la germinación de las zoosporas in vitro. El residuo de ácido galacturónico es un componente activo que induce la diferenciación de zoosporas. La adición de 150 microgramos de ácido poligalacturónico a cada mililitro de suspensión de esporas hará que más del 80 % de las zoosporas entren en estado de reposo en 5 minutos. En condiciones naturales, la sustancia gomosa de las raíces es un inductor natural del desarrollo de la etapa parasitaria de Phytophthora camphora.

Genes de avirulencia de patógenos

Los genes de avirulencia en patógenos interactúan con genes de resistencia a enfermedades del huésped y tienen la función de regular inversamente el rango de huéspedes. A diferencia de las bacterias patógenas, los productos genéticos avirulentos clonados de Cladosporium chrysanthemi (moho de la hoja del tomate) se expresan de forma inducible.

Expresión inducida de genes del huésped

La mayoría de los genes expresados ​​en la resistencia activa de las plantas son genes inducibles.

Genes enzimáticos importantes para la síntesis de fitoalexinas

La síntesis de fitoprotectina es inducida por una infección patógena, inducida por elicitores y otros factores abióticos aislados de la pared celular bacteriana.

Diddzin

es un factor de defensa vegetal producido y acumulado después de que la soja es inoculada con bacterias fitopatógenas como Phytophthora major y la especialización de la soja. El etiquetado in vitro y los estudios de traducción in vivo de ARNm demostraron que la tasa de síntesis de fenilalanina amoniaco liasa (PAL), 4-cumarina coenzima A ligasa (4CL) y chalcona sintasa (CHS) mostró por primera vez una tendencia ascendente. a la tasa de biosíntesis de la soja no tienen este fenómeno. En pruebas en tallos jóvenes de soja, la actividad del elicitor del β-1,3-glucano del hongo fue 1.000 veces mayor que la actividad del elicitor del ácido oligogalacturónico de la planta. La mezcla de los dos tiene un efecto sinérgico, que puede aumentar la actividad del β-glucano 50 veces. El β-1,3-glucano solo induce el efecto de la fenilalanina amonio liasa y la 4-cumarina coenzima A ligasa, y el ácido oligogalacturónico también tiene un efecto inductor. sobre la chalcona sintasa.

Fosfofilina

se produce inoculando Phaseolus vulgaris con Colletotrichum vulgaris. Además, también existe la fitoprotectina de Kievitone. Utilizando β-1,3-glucano aislado de células fúngicas como inductor, aparecieron enzimas biosintéticas fenilpropanoides después de 5 minutos de tratamiento, y las actividades transcripcionales de los genes PAL y CHS alcanzaron su máximo después de 3 a 4 horas. PAL y CHS están regulados isostéricamente, pero el pico de actividad de la calcona isomerasa (CHI) a veces aparece más tarde. Estas diferencias están relacionadas con la variedad de frijol. También se encontraron algunas sustancias con actividad elicitora en el medio de cultivo de Trichoderma graminis para inducir CHS pero no CHI. Esto muestra que CHI está controlado por un solo gen, mientras que PAL y CHS están controlados por múltiples genes. Al menos tres genes estructurales participan en la síntesis de PAL, mientras que en la síntesis de CHS participan seis genes. Estos genes se inducen por separado en la expresión de resistencia a enfermedades de las plantas.

La ricina

es una fitodefensina diterpenoide producida por plántulas de ricino tras ser inducida por Rhizopus stolonifer. Los componentes activos de dos enzimas mejoraron después de la infección. El ARNm de la última enzima, la ricina sintasa, mostró una tendencia ascendente después de 6 horas de tratamiento con inductores de hongos.

Las furanocumarinas

se producen mediante un cultivo en suspensión de células de perejil tratado con inductores preparados a partir de un tipo especializado de soja Phytophthora majorandrum. El hongo no es un patógeno del perejil, por lo que el elicitor no es específico. Las actividades de ARNm de PAL y 4CL en los materiales tratados mejoraron significativamente y, al mismo tiempo, se acumularon furanocumarinas. En el perejil, hay dos genes 4CL y de 2 a 3 genes PAL que son inducidos en el tiempo por elicitores y luz ultravioleta.

Genes en la modificación de la pared celular

La modificación de la pared celular es un proceso complejo de resistencia activa, que implica la acumulación inducida de múltiples sustancias químicas.

Acumulación inducida de glicoproteínas ricas en hidroxiprolina (HRGP)

Las HRGP están controladas por múltiples genes. Las HRGP en la pared celular de las variedades de pepino resistentes aumentaron significativamente entre 12 y 18 horas después del tratamiento con Cladosporium melonis, mientras que el número de HRGP en las variedades susceptibles no aumentó hasta las 18 horas. Los tallos jóvenes de Phaseolus vulgaris fueron tratados con frijol Trichoderma, y ​​luego se utilizó el gen HRGPs del tomate como sonda para detectar su ARNm homólogo. Los resultados mostraron que el ARNm homólogo aumentó en la etapa temprana en las variedades resistentes, mientras que el aumento en. las variedades susceptibles no aparecieron hasta que se formaron las lesiones. Debido a diferentes factores de estrés, existen diferentes tipos de transcripción de genes HRGP, lo que indica que diferentes sistemas de señalización controlan las actividades selectivas de diferentes miembros de este grupo de genes.

Acumulación inducida de callosa

Inducida por una variedad de factores de estrés físico y químico, así como por infecciones por hongos, la callosa acumulada se encuentra principalmente en las paredes celulares y papilas de las plantas. una barrera de intrusión. La callosa alrededor de las lesiones locales de las enfermedades virales tiene el efecto de impedir que el virus se expanda. La β-1,3-glucano sintasa ubicada en el protoplasma no se expresa de novo después de la inducción genética, sino que se activa directamente mediante el flujo de iones calcio hacia la célula.

Expresión inducida de genes de hidrolasa

Incluyen principalmente quitinasa y β-1,3-glucanasa.

Quitinasa

La infección por hongos, bacterias, virus o el tratamiento con elicitores pueden inducir la mejora de la actividad quitinasa en las células vegetales. En este proceso se considera que el etileno es un segundo mensajero inductivo. Los estudios sobre la inhibición de la biosíntesis de etileno han demostrado que existen diferentes mecanismos para la inducción de quitinasa en diferentes especies de plantas. La quitinasa de Phaseolus vulgaris está codificada por múltiples genes, al menos dos de los cuales son inducidos por etileno. En la interacción entre las especies patógenas de Phaseolus vulgaris y Pseudomonas syringae, el ARNm se puede detectar 6 horas después de la inoculación de la cepa avirulenta, mientras que la cepa virulenta tarda 20 horas, lo que indica que la quitinasa se induce específicamente en una combinación incompatible.

β-1,3-glucanasa

Los frijoles tratados con etileno y el perejil tratado con Fusarium indujeron la producción de esta enzima. Sin embargo, cuando los guisantes fueron tratados con Fusarium, también se encontró un aumento en la actividad quitinasa. La β-1,3-glucanasa actúa sobre la pared celular del hongo para liberar β-1,3-glucano con actividad elicitor.

Expresión inducida de inhibidores de proteasa

El componente principal de los inhibidores de proteasa son los polipéptidos, que se encuentran en todos los tejidos vegetales y tienen efectos inhibidores sobre los insectos. También se descubrió que el tratamiento del melón con los inductores de Trichoderma vulgaris aumentaba la síntesis de inhibidores de proteasa.

Mecanismo de inducción

La expresión inducida por genes es un fenómeno ubicuo en los organismos. El mecanismo de inducción de los genes patógenos es diferente al de los genes del huésped.

El mecanismo de inducción de genes patógenos

En las bacterias se ha determinado que se completa mediante un mecanismo regulador de dos componentes (ver genes relacionados con la patogenicidad).

Mecanismos de inducción del gen del huésped

Se han descubierto dos tipos, a saber, el mecanismo de interacción entre el elicitor y el receptor y el mecanismo de interacción entre el elicitor y la membrana plasmática de gran área (Figura 2) .

La interacción entre elicitores y receptores

es la principal forma de inducir la síntesis de fitodefensinas en reacciones de resistencia activa. El elicitor puede originarse en el patógeno o en el huésped. Los ingredientes incluyen polisacáridos, oligosacáridos, proteínas, glicoproteínas y ácidos grasos. El receptor se encuentra en la membrana de la célula vegetal. En cuanto a la estructura y función del elicitor, el análisis del elicitor de glucano aislado de la pared celular especializada de Phytophthora major de soja mostró que el poliglucósido β-3,6-t ramificado especializado es el fragmento más pequeño con actividad elicitor. Generalmente se considera que los receptores de las membranas de las células vegetales son proteínas transmembrana, pero sus propiedades específicas aún no se comprenden completamente (ver genes de respuesta de defensa).

El elicitor interactúa con la membrana plasmática.

Cuando el elicitor callosa desetileno quitina interactúa con la membrana plasmática, se une al gen final del fosfolípido o se inserta en la membrana. la fase lipídica. La desetilenoquitina, la anfotericina B y la digitonina también estimulan la síntesis de cumarina (ver interacción huésped-patógeno).

Figura 2 Diagrama esquemático de la vía de transmisión de señales en la síntesis de callosa y fitodefensina

ST: sistema de administración desconocido GS: glucano sintasa R: receptor Cyt: citoplásmico PK: proteína quinasa PP : Difosfato de glucósido

Expresión de respuestas fisiológicas tempranas inducida por el gen huésped

A través del estudio de la síntesis inducida de defensina y callosa de las plantas, se encontró que las respuestas fisiológicas tempranas son la misma absorción de Ca2+. , alcalinización externa y fuga de K+, así como fosforilación de proteínas de membrana. Con base en experimentos con inhibidores y estudios de dosis-respuesta, se cree que la estimulación de diversos elicitores de fitodefensina se transmite a través del proceso de fosforilación/desfosforilación de proteínas, que luego provoca rápidamente cambios en el transporte de iones. En 1990, R.A. Dixon, de Estados Unidos, discutió el mecanismo de transmisión de señales de estrés y creía que, además de las funciones involucradas en la permeabilidad de la membrana, el flujo de iones, el calcio y las proteínas quinasas, también están en juego especies reactivas de oxígeno o un caos similar al redox. . Cuando se trataron células de algodón, soja y tabaco con inductores de caléndula Verticillium, la fluorescencia de los tintes sensibles al potencial de membrana y al pH se debilitó debido a la rápida producción de peróxido de hidrógeno.

Este cambio que ya se produce después de 5 minutos está relacionado con la actividad de fitodefensina inducida después de 60 horas. Por un lado, el peróxido de hidrógeno desencadena reacciones in situ y, por otro, también participa en reacciones inducidas por la activación de genes de defensa.

Bibliografía

Kauss, H., Los cambios controlados por fosfoproteínas en el transporte de iones son eventos comunes en la transducción de señales para la inducción de callosa y fitoalexina p.428~431 en genes moleculares de plantas -Microbe lmteraction vol.1, editor académico de Kluwer, 1990.