När du ser bruna fläckar på annars friska gröna blad, du kanske bevittnar en växts immunsvar när den försöker hindra en bakteriell infektion från att sprida sig. Vissa växter är mer resistenta mot sådana infektioner än andra, och växtbiologer vill förstå varför. Salk Institute forskare som studerade ett växtprotein som heter SOBER1 upptäckte nyligen en mekanism genom vilken, kontraintuitivt, växter verkar göra sig mindre resistenta mot infektion.

Arbetet, som dök upp i Naturkommunikation den 19 december, 2017, belyser växtresistens i allmänhet och kan leda till strategier för att öka växternas naturliga immunitet eller för att bättre innehålla infektioner som hotar att förstöra en hel jordbruksgröda.

"Det finns många förluster i skördeavkastningen på grund av bakterier som dödar växter, "säger tidningens författare Joanne Chory, en Howard Hughes Medical Institute -utredare, chef för Salk's Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory och en 2018 -mottagare av genombrottspriset i biovetenskap. "Med detta arbete, vi bestämde oss för att förstå den bakomliggande mekanismen för hur motstånd fungerar, och för att se hur generellt det är. "

Ett av sätten växter bekämpar bakterieinfektion är genom att döda sina egna celler där bakterieproteiner detekteras. Men vissa bakterier har utvecklat en motstrategi - att injicera speciella proteiner som undertrycker växtens immunsvar genom att lägga till små, inaktivera kemiska taggar som kallas acetylgrupper för immunmolekyler. Denna process kallas acetylering. Vad som gör att vissa växter kan motstå dessa bakteriella motåtgärder medan andra viker för infektion är fortfarande oklart.

Som ett sätt att bättre förstå sådana patogen-växtinteraktioner, Chorys team vände sig till det välstuderade ogräset Arabidopsis thaliana och, särskilt, ett enzym som kallas SOBER1 - som tidigare rapporterats undertrycka ogräsens immunsvar mot ett bakteriellt protein som kallas AvrBsT. Även om det kan verka kontraintuitivt att använda immunsuppression för att studera infektionsresistens, Salk -biologerna trodde att det skulle kunna ge användbar information.

Forskarna började med att bestämma SOBER1s aminosyrasekvens - den särskilda ordningen med byggstenar som ger ett protein dess grundläggande identitet. Intressant nog, de fann att det liknade mycket ett cancerrelaterat humant enzym. Detta enzym innehåller en karakteristisk tunnel till vilken proteiner med vissa typer av modifieringar kan passa och skäras som en del av den enzymatiska reaktionen. Det visar sig att SOBER1 kan klassificeras som en del av en enorm proteinsuperfamilj som kallas alfa/beta -hydrolaser. Dessa enzymer har en gemensam kärnstruktur men är mycket flexibla i de kemiska reaktioner de katalyserar, som sträcker sig från nedbrytning av fett till avgiftning av kemikalier som kallas peroxider.

Nästa, de använde en mer än 100 år gammal teknik som kallas röntgenkristallografi för att bestämma SOBER1s tredimensionella struktur. Även om det liknar det mänskliga enzymet, växtenzymets tunnel hade två extra aminosyror som sticker ner från toppen:en vid ingången och en i mitten.

"När vi såg dem, vi insåg att de måste ha en dramatisk effekt på funktionen eftersom de i princip blockerar tunneln, "säger Salk-forskningsassistenten och medförstförfattaren Marco Bürger.

För att upptäcka vad syftet kan vara, Bürger och medförfattaren Björn Willige, också en forskningsassistent, använda substrat (molekyler som enzymer verkar på) med olika längder och biokemiskt testat hur väl de passar in i enzymet och om de kan skäras. Endast vissa typer passade och klipptes - mycket korta acetylgrupper. Detta föreslog att SOBER1 är ett deacetylas - en enzymklass som tar bort acetylgrupper. Vidare, laget muterade SOBER1 och öppnade därmed den blockerade tunneln. Med denna förändring, Bürger och Willige konstruerade ett enzym som förlorade sin starka specificitet för korta acetylgrupper och istället föredrog längre substrat.

"För de första biokemiska experimenten, vi använde etablerade, konstgjorda substrat, "säger Willige." Men sedan ville vi se vad som skulle hända i växter. "

För detta, de använde tobaksväxter - som har stora blad som är lätta att arbeta med - och en bakterie som gör AvrBsT, som är känt för att utlösa acetylering. De producerade AvrBsT i olika regioner av tobaksblad tillsammans med SOBER1 och flera muterade (och därmed icke -funktionella) versioner av enzymet.

Blad som producerar AvrBsT hade bruna fläckar av död vävnad, indikerar att AvrBsT hade initierat ett celldödsprogram för att begränsa den systemiska spridningen av patogenen. Blad som producerade AvrBsT tillsammans med SOBER1 såg friska ut, vilket indikerar att SOBER1 reverserade åtgärden för AvrBsT. Slående, muterade SOBER1 -versioner med en öppen tunnel kunde inte hindra vävnaden från att dö. Från detta, forskarna drog slutsatsen att deacetylering måste vara den underliggande kemiska reaktionen som leder till undertryckande av växtens immunsvar.

Tobakstesterna stödde tanken på att SOBER1 är ett deacetylas som skulle ta bort acetylgrupper som tillsatts av bakteriella proteiner. Utan att acetylgrupperna märker proteiner, växten kände inte igen dem som främmande och monterade därför inte på ett celldödande immunsvar. Bladen såg friskare ut eftersom cellerna inte dör.

"SOBER1s funktion är förvånande eftersom den håller den infekterade vävnaden vid liv, som sätter växten i fara, "säger Chory, som också innehar Howard H. och Maryam R. Newman stol i växtbiologi på Salk. "Men vi börjar bara förstå den här typen av mekanismer, och det kan mycket väl finnas förhållanden under vilka åtgärder av SOBER1 är fördelaktiga. "

Ytterligare tester visade att aktiviteten och funktionen av SOBER1 inte är begränsad till ogräs Arabidopsis thaliana, men finns också i en växt som kallas raps som visar att resultaten från Chorys laboratorium kan tillämpas på jordbruksgrödor och biobränsleresurser.

Bürger och Willige vill därefter börja screena efter kemiska hämmare som kan blockera SOBER1, vilket gör att växter kan få ett fullständigt immunsvar mot patogena bakterier.