Systemin - Systemin

Systemin
Fórmula estructural de la sistemina de tomate.
Identificadores
Organismo	S. lycopersicum (tomate)
Símbolo	sistemin
Entrez	543989
RefSeq (ARNm)	M84800
RefSeq (Prot)	AAA34182
UniProt	P27058
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Estructuras y estructuras predichas de sistemas, HypSys y AtPeps

Systemin es una hormona peptídica vegetal involucrada en la respuesta a las heridas en la familia de las solanáceas . Fue la primera hormona vegetal que se demostró que era un péptido que había sido aislado de las hojas de tomate en 1991 por un grupo dirigido por Clarence A. Ryan . Desde entonces, se han identificado otros péptidos con funciones similares en tomate y fuera de las solanáceas. Hidroxiprolina Ricos glicopéptidos fueron encontrados en el tabaco en 2001 y AtPEPs ( A rabidopsis t haliana P Lant E licitor P eptide s ) fueron encontrados en Arabidopsis thaliana en 2006. Sus precursores se encuentran tanto en los citoplasma y las paredes celulares de las células vegetales , al insecto daño, los precursores se procesan para producir uno o más péptidos maduros. Al principio se pensó que el receptor de la sistemina era el mismo que el receptor de la brasinolida , pero ahora no se sabe con certeza. Los procesos de transducción de señales que ocurren después de que los péptidos se unen son similares a la respuesta inmune inflamatoria mediada por citocinas en animales. Los primeros experimentos mostraron que la sistemina viajaba alrededor de la planta después de que los insectos dañaron la planta, activando la resistencia sistémica adquirida , ahora se cree que aumenta la producción de ácido jasmónico provocando el mismo resultado. La función principal de las sisteminas es coordinar las respuestas defensivas contra los insectos herbívoros, pero también afectan el desarrollo de las plantas . Systemin induce la producción de inhibidores de proteasa que protegen contra insectos herbívoros, otros péptidos activan las defensinas y modifican el crecimiento de las raíces. También se ha demostrado que afectan las respuestas de las plantas al estrés salino y a la radiación ultravioleta. Se ha demostrado que las AtPEP afectan la resistencia contra los oomicetos y pueden permitir que A. thaliana distinga entre diferentes patógenos. En Nicotiana attenuata , algunos de los péptidos han dejado de participar en funciones defensivas y, en cambio, afectan la morfología de las flores .

Descubrimiento y estructura

En 1991, un grupo de investigación dirigido por Clarence A. Ryan , aisló un polipéptido de 18 aminoácidos de las hojas de tomate que inducía la producción de proteínas inhibidoras de proteasa (IP) en respuesta a las heridas. Los experimentos utilizando sintéticos radiomarcados formas del polipéptido demostró que era capaz de viajar por vía sistémica a través de la planta y inducir la producción de PI en las hojas no heridos. Debido a la naturaleza sistémica de la señal de la herida, se denominó sistemina, fue el primer polipéptido que funcionó como una hormona en las plantas. El ARNm que codifica la sistemina se encuentra en todos los tejidos de la planta, excepto en las raíces. Estudios posteriores identificaron homólogos de la sistemina del tomate en otros miembros de las solanáceas, como la papa , la solanácea y el pimiento morrón . Las sisteminas solo se han identificado en la subtribu Solaneae de las solanáceas, pero otros miembros de la familia, como el tabaco , también responden a las heridas produciendo inhibidores de proteasa de forma sistémica.

Péptidos con funciones similares

En 2001, se aislaron del tabaco glicopéptidos ricos en hidroxiprolina biológicamente activos que activaron la producción de inhibidores de proteasa de manera similar a la sistemina en los tomates. Aunque no están relacionados estructuralmente con las sisteminas, su función similar dio lugar a que se las denominara sisteminas ricas en hidroxiprolina (HypSys). Tras el descubrimiento inicial, se encontraron otros péptidos de HypSys en el tomate, la petunia y la solanácea negra . En 2007, se encontraron HypSys fuera de las solanáceas, en batata ( Ipomoea batatas ) y el análisis de secuencia identificó análogos de HypSys en álamo ( Populus trichocarpa ) y café ( Coffea canephora ). Las sisteminas están altamente conservadas entre especies, mientras que las HypSys son más divergentes pero todas contienen un dominio central conservado rico en prolina o hidroxiprolina .

En 2006, se aisló AtPEP1, un polipéptido de 23 aminoácidos de Arabidopsis thaliana , que se descubrió que activaba componentes de la respuesta inmune innata . A diferencia de HypSys, AtPEP1 no se modifica postraduccionalmente mediante hidroxilación o glicosilación . Se han identificado seis parálogos del precursor en A. thaliana , así como ortólogos en uva , arroz , maíz , trigo , cebada , canola , soja , medicago y álamo , aunque la actividad de estos ortólogos no se ha probado en ensayos. Las estructuras predichas de los parálogos de AtPEP1 varían dentro de A. thaliana pero todas contienen un motivo de secuencia SSGR / KxGxxN . Los ortólogos identificados en otras especies son más variados pero aún contienen componentes del motivo de secuencia.

Localización y precursores

Systemin y AtPEP1 se encuentran en el citosol celular . El precursor de la sistemina del tomate se transcribe como un polipéptido de 200 aminoácidos. No contiene una secuencia señal putativa que sugiera que se sintetiza en ribosomas libres en el citosol. El precursor de AtPEP1 es un polipéptido de 92 aminoácidos y también carece de una secuencia señal. En el tomate, el ARNm que codifica el precursor de la sistemina está presente en niveles muy bajos en las hojas no heridas, pero se acumula tras la herida, particularmente en las células que rodean los elementos del tamiz del floema en los haces vasculares de las venas medias. El precursor se acumula exclusivamente en las células del parénquima del floema de las hojas del tomate después de la herida. El precursor de la sistemina de la papa también se localiza de manera similar, lo que sugiere que está bajo la misma regulación específica de tipo celular en ambas especies.

Los HypSys se localizan en la pared celular . El precursor del tabaco HypSys se transcribe como un polipéptido de 165 aminoácidos que no tiene homología estructural con el precursor de la sistemina en el tomate. Las propiedades estructurales de HypSys, que contienen hidroxiprolina y están glicosiladas, indican que se sintetizan a través del sistema secretor . El precursor de HypSys en tomate es un polipéptido de 146 aminoácidos, sintetizado exclusivamente dentro de los haces vasculares de hojas y pecíolos asociados con las células del parénquima de los haces del floema. A diferencia de la sistemina, se asocia principalmente con la pared celular. Los precursores de HypSys parecen representar una subfamilia distinta de proteínas ricas en hidroxiprolina que se encuentran en las paredes celulares. Al herir, se cree que una proteasa del citosol, la matriz de la pared celular o el patógeno procesa el precursor produciendo péptidos HypSys activos.

Procesamiento de precursores

Los precursores de la sistemina y AtPEP1 se procesan para producir un péptido activo del extremo C-terminal del precursor. Se ha especulado que ProAtPEP1 es procesada por CONSTITUTIVO RESISTENCIA A LA ENFERMEDAD 1, un apoplástico proteasa aspártica . Los precursores de HypSys se procesan en más de un péptido activo. En el tabaco, se procesa en dos péptidos, en la petunia en tres y en la batata, posiblemente en seis. Con 291 aminoácidos de longitud, el precursor de HypSys en la batata es el precursor más largo descrito. La producción de múltiples péptidos de señalización a partir de un precursor es una característica común que se encuentra en los animales.

Receptores

Extremadamente pequeñas cantidades de tomate systemin son activos, femto- molares concentraciones del péptido son suficientes para provocar una respuesta a nivel de planta entera, por lo que es uno de los más potentes activadores de genes identificados. Se identificó un receptor para la sistemina de tomate como un receptor de repetición rico en leucina de 160K Da como la quinasa (LRR-RLK), SR160. Después de ser aislado, se encontró que era muy similar en estructura a BRI1 de A. thaliana , el receptor al que se unen los brassinólidos en la membrana celular. Este fue el primer receptor que se descubrió que podía unirse tanto a un ligando esteroide como a un péptido y también estaba involucrado en respuestas tanto defensivas como de desarrollo. Estudios recientes han encontrado que la conclusión inicial de que BRI1 es el receptor de la sistemina del tomate puede ser incorrecta. En los mutantes cu3 de tomate, un alelo nulo con un codón de parada presente en el dominio LRR extracelular de BRI1 evita que el receptor se localice correctamente y también carece del dominio quinasa, necesario para la señalización. Estos mutantes son insensibles a la brasinolida pero todavía responden a la sistemina del tomate produciendo inhibidores de proteasa y provocando una respuesta de alcalinización. Esto llevó a Holton et al. para sugerir que existe otro mecanismo por el cual se percibe la sistemina. Investigaciones posteriores mostraron que la unión de la sistemina a BRI1 no hace que el receptor se fosforile, como cuando se unen los brasinólidos, lo que sugiere que no transduce una señal. Cuando el BRI1 se silencia en el tomate, las plantas tienen un fenotipo similar al de los mutantes cu3 pero aún pueden responder normalmente a la sistemina, lo que refuerza la opinión de que BRI1 no es el receptor de la sistemina.

En 1994, se descubrió que la sistemina del tomate se unía a una proteína de 50 KDa en la membrana celular del tomate. La proteína tiene una estructura similar a las proteasas de las prohormonas convertasas similares a Kex2p . Esto llevó a Schaller y Ryan a sugerir que no es un receptor, sino que está involucrado en el procesamiento de ProSys en la forma activa, o la degradación de Sys. Las formas sintéticas de la sistemina de tomate, con aminoácidos sustituidos en el sitio de escisión dibásico predicho, permanecieron estables en cultivos celulares durante más tiempo que la forma nativa. Estudios posteriores han señalado que las enzimas responsables del procesamiento de ProSys permanecen sin identificar. Hasta la fecha, no se ha informado de más investigaciones sobre la proteína de 50 KDa, y el gen no ha sido identificado.

Hasta ahora no se han informado receptores para HypSys, pero se cree que son percibidos en la membrana celular por un LRR-RLK.

El receptor de AtPep1 se ha identificado como un LRR-RLK de 170 KDa y se ha denominado AtPEPR1. AtPep1 es activo a concentraciones de 0,1 nano-molar (nM) y el receptor se satura a 1 nM. Un análisis de la estructura del receptor AtPEPR1 ha demostrado que es un miembro de la subfamilia LRR XI de LRR-RLK en A. thaliana que incluye el receptor de otra hormona peptídica CLAVATA3 . La transformación de cultivos de células de tabaco con AtPEPR1 les permitió responder a AtPep1 en un ensayo de alcalinización, mientras que el tabaco normal no mostró tal respuesta. El receptor quinasa 1 asociado a BRI1 (BAK1) es un LRR-RLK que se encuentra en A. thaliana , que se ha propuesto que funciona como una proteína adaptadora necesaria para el funcionamiento adecuado de otras RLK. Los ensayos de dos híbridos de levadura han demostrado que AtPEPR1 y su análogo más cercano, AtPEPR2, interactúan con BAK1.

Transducción de señales

Sistema propuesto de transducción de señales para systemmin. MAPKs = proteína quinasas activadas por mitógenos PL = fosfolipasa JA = ácido jasmónico LA = ácido linolénico

Aunque los receptores de las sisteminas y HypSys siguen siendo poco conocidos, tenemos una mejor comprensión de la transducción de señales que se produce una vez que el péptido se ha unido a su receptor. El ácido jasmónico es un componente esencial, aunque tardío, en la sistemina y las vías de señalización de la herida. En el tomate, la señal es transducida del receptor por las proteínas quinasas activadas por mitógenos (MAPK). El cosilencimiento de dos MAPK, MPK1 y MPK2, en tomate comprometió su respuesta de defensa contra las larvas de insectos en comparación con las plantas de tipo silvestre . Cosilenciar estos genes también disminuyó la producción de ácido jasmónico y de genes de defensa dependientes del ácido jasmónico. La aplicación de jasmonato de metilo a las plantas consilenciadas las rescató, lo que indica que los jasmonatos son la señal responsable de provocar cambios en la expresión génica. La alcalinización del apoplasto es un efecto aguas abajo del procesamiento de señalización por MAPK. La aplicación de fusicocina , que activa la H ⁺ ATPasa inhibida por la sistemina, junto con la sistemina, todavía activa las MAPK, aunque el pH del apoplasto no cambia.

A los pocos minutos de la percepción de la sistemina, la concentración citosólica de Ca ²⁺ aumenta y el ácido linolénico se libera de las membranas celulares después de que se ha activado una fosfolipasa . El ácido linolénico se convierte luego en ácido jasmónico a través de la vía octadecanoide y el ácido jasmónico activa genes defensivos. La producción de jasmonato de metilo es inducida por sisteminas y también regula al alza los genes precursores de la sistemina creando un circuito de retroalimentación, amplificando la señal defensiva. El jasmonato de metilo es volátil y, por lo tanto, puede activar la resistencia sistémica adquirida en las plantas vecinas, preparando sus defensas para el ataque. Estos eventos de señalización son análogos a la respuesta inmune inflamatoria mediada por citocinas en animales. Cuando se activa la respuesta inflamatoria en animales, se activan las MAPK que a su vez activan las fosfolipasas. Los lípidos de la membrana se convierten en ácido araquidónico y luego en prostaglandinas , que son análogos del ácido jasmónico. Ambas vías pueden ser inhibidas por la suramina .

Los primeros experimentos con sistemina radiomarcada en tomate demostraron que se transporta a través de la savia del floema en las plantas de tomate y, por lo tanto, se pensó que era la señal sistémica que activaba la resistencia sistémica adquirida. Este punto de vista fue desafiado por experimentos de injerto que mostraron que los mutantes deficientes en la biosíntesis y percepción del ácido jasmónico eran incapaces de activar la resistencia sistémica adquirida. Ahora se cree que el ácido jasmónico es la señal sistémica y que el sistema regula al alza las vías para la síntesis de ácido jasmónico.

Funciones

Defensa

Systemin activa procesos que ayudan al tomate a disuadir a los insectos herbívoros, como este gusano del tomate.

Systemin juega un papel fundamental en la señalización de defensa en tomate. Promueve la síntesis de más de 20 proteínas relacionadas con las defensas, principalmente proteínas antinutricionales, proteínas de la vía de señalización y proteasas. La sobreexpresión de la prosistemina resultó en una disminución significativa del daño de las larvas, lo que indica que un alto nivel de protección constitutiva es superior a un mecanismo de defensa inducible. Sin embargo, la activación continua de prosistemina es costosa y afecta el crecimiento, la fisiología y el éxito reproductivo de las plantas de tomate. Cuando se silenció la sistemina , la producción de inhibidores de proteasa en el tomate se vio gravemente afectada y las larvas que se alimentaban de las plantas crecieron tres veces más rápido. HypSys provocó cambios similares en la expresión génica en el tabaco, por ejemplo, la actividad de la polifenol oxidasa aumentó diez veces en las hojas de tabaco y los inhibidores de la proteasa provocaron una disminución del 30% en la actividad de la quimotripsina dentro de los tres días posteriores a la herida. Cuando HypSys se expresó en exceso en el tabaco, las larvas que se alimentaban de plantas transgénicas pesaban la mitad después de diez días de alimentación que las que se alimentaban de plantas normales. La concentración de peróxido de hidrógeno aumenta en los tejidos de la vasculatura cuando se induce la producción de sistemina, HypSys o AtPep1, esto también puede estar involucrado en el inicio de la resistencia sistémica adquirida.

Las plantas de tomate que sobreexpresan sistemina también acumularon HypSys, pero no lo hicieron si el precursor de la sistemina estaba silenciado, lo que indica que en el tomate, HypSys está controlada por la sistemina. Cada uno de los tres péptidos de HypSys en tomate es capaz de activar la síntesis y acumulación de inhibidores de proteasa. Cuando se silencia HypSys, la producción de inhibidores de proteasa inducida por heridas se reduce a la mitad en comparación con las plantas de tipo salvaje, lo que indica que tanto la sistemina como la HypSys son necesarias para una fuerte respuesta de defensa contra los herbívoros en el tomate.

Cuando se aplicó a través de pecíolos cortados en Petunia , HypSys no indujo la producción de inhibidores de proteasa, sino que aumentó la expresión de defensina , un gen que produce una proteína que se inserta en las membranas microbianas, formando un poro. La expresión de defensina también es inducida por AtPEP1.

Las plantas de tomate que sobreexpresan sistemina produjeron más compuestos orgánicos volátiles (COV) que las plantas normales y las avispas parasitoides las encontraron más atractivas. Systemin también regula al alza la expresión de genes implicados en la producción de COV biológicamente activos. Esta respuesta es crucial para que las defensas antinutricionales sean efectivas, ya que sin depredadores, los insectos en desarrollo consumirían más material vegetal mientras completan su desarrollo. Es probable que la producción de COV se regule positivamente a través de diferentes vías, incluida la vía de la oxilipina que sintetiza aldehídos y alcoholes del ácido jasmónico que funcionan en la cicatrización de heridas.

Diferentes AtPeps pueden permitir que A. thaliana distinga entre diferentes patógenos. Cuando se inocula con un hongo , oomiceto y una bacteria , los aumentos en la expresión de AtPep variaron según el patógeno. A. thaliana que sobreexpresa AtProPep1 fue más resistente al oomiceto Phythium irregulare .

Silenciar la sistemina no afectó la capacidad de la solanácea negra para resistir la herbivoría y, al competir con las plantas normales, las plantas silenciadas produjeron más biomasa y bayas por encima del suelo. Tras la herbivoría, la sistemina se reguló negativamente en la hierba mora negra en contraste con los otros péptidos que se regulan positivamente después de la herbivoría. Por el contrario, los HypSys fueron regulados positivamente y activaron la síntesis de inhibidores de proteasa. La regulación a la baja de la sistemina se asoció con un aumento de la masa de raíces, pero no disminuyó la masa de los brotes, lo que demuestra que la sistemina puede causar cambios en el desarrollo como resultado de la herbivoría, lo que permite que la planta tolere, en lugar de resistir directamente, el ataque. Las raíces del tomate también se vieron afectadas por la sistemina del tomate, y el crecimiento de las raíces aumentó a concentraciones altas de la sistemina del tomate. Al asignar más recursos a las raíces, se cree que las plantas atacadas almacenan carbono y luego lo usan para volver a crecer cuando el ataque termina. La sobreexpresión de AtPEP1 también aumentó la biomasa de raíces y brotes en A. thaliana .

Resistencia al estrés abiótico

Se ha descubierto que la sobreexpresión de sistemina y HypSys mejora la tolerancia de las plantas al estrés abiótico, incluido el estrés salino y la radiación ultravioleta. Cuando la prosistemina se expresó en exceso en el tomate, las plantas transgénicas tenían una conductancia estomática más baja que las plantas normales. Cuando se cultivaron en soluciones salinas, las plantas transgénicas tenían conductancias estomáticas más altas, concentraciones foliares más bajas de ácido abscísico y prolina y una mayor biomasa. Estos hallazgos sugieren que la sistemina permitió que las plantas se adaptaran al estrés salino de manera más eficiente o que percibieran un ambiente menos estresante. De manera similar, las plantas de tomate heridas fueron menos susceptibles al estrés salino que las plantas no heridas. Esto puede deberse a que las heridas disminuyen el crecimiento de la planta y, por lo tanto, ralentizan la absorción de iones tóxicos en las raíces. Un análisis de los cambios inducidos por la sal en la expresión génica encontró que las diferencias medidas entre las plantas transgénicas y normales no podían explicarse por cambios en las vías convencionales inducidas por el estrés por sal. En cambio, Orsini et al. sugirió que la activación de la vía del ácido jasmónico determina un estado fisiológico que no solo dirige los recursos hacia la producción de compuestos activos contra las plagas, sino que también preadapta las plantas para minimizar la pérdida de agua. Estos efectos se logran regulando negativamente la producción de hormonas y metabolitos que obligarán a las plantas a invertir recursos adicionales para contrarrestar la pérdida de agua, un efecto secundario de los herbívoros.

Las plantas cultivadas bajo luz UVB son más resistentes a la herbivoría de insectos en comparación con las plantas cultivadas bajo filtros que excluyen la radiación. Cuando las plantas de tomate se exponen a un pulso de radiación UVB y luego se lesionan débilmente, los IP se acumulan en toda la planta. Por sí mismos, ni la radiación ni las heridas débiles son suficientes para inducir la acumulación sistémica de PI. Los cultivos de células de tomate responden de manera similar, con sistemina y UVB actuando juntos para activar MAPK. Los pulsos cortos de UVB también provocan la alcalinización del medio de cultivo.

Desarrollo

En Nicotiana attenuata, se sabe que HypSys no participa en la defensa contra insectos herbívoros. El silenciamiento y la sobreexpresión de HypSys no afecta el rendimiento alimenticio de las larvas en comparación con las plantas normales. Berger silenció a HypSys y descubrió que provocaba cambios en la morfología de las flores que reducían la eficacia de la autopolinización . Las flores tenían pistilos que sobresalían más allá de sus anteras , un fenotipo similar a las plantas silenciadas CORONATINA-INSENSIBLE1 que carecen de un receptor de jasmonato. La medición de los niveles de jasmonato en las flores reveló que eran más bajos que en las plantas normales. Los autores sugirieron que los péptidos HypSys en N. attenuata se han diversificado de su función como péptidos relacionados con la defensa a participar en el control de la morfología de las flores. Sin embargo, los procesos de señalización siguen siendo similares, ya que están mediados por jasmonatos.

Systemin también aumenta el crecimiento de las raíces en Solanum pimpinellifolium, lo que sugiere que también puede desempeñar algún papel en el desarrollo de las plantas .

Ver también

• Hormonas vegetales
• Florigen

Referencias