Quando vedi macchie marroni su foglie verdi altrimenti sane, potresti assistere alla risposta immunitaria di una pianta mentre cerca di impedire la diffusione di un'infezione batterica. Alcune piante sono più resistenti a tali infezioni di altre, e i biologi vegetali vogliono capire perché. Gli scienziati del Salk Institute che studiano una proteina vegetale chiamata SOBER1 hanno recentemente scoperto un meccanismo attraverso il quale, controintuitivamente, le piante sembrano rendersi meno resistenti alle infezioni.

Il lavoro, che è apparso in Comunicazioni sulla natura il 19 dicembre, 2017, fa luce sulla resistenza delle piante in generale e potrebbe portare a strategie per aumentare l'immunità naturale delle piante o per contenere meglio le infezioni che minacciano di distruggere un'intera coltura agricola.

"Ci sono molte perdite nei raccolti a causa di batteri che uccidono le piante, ", afferma l'autrice senior del giornale Joanne Chory, un investigatore dell'Howard Hughes Medical Institute, direttore del laboratorio di biologia molecolare e cellulare di Salk e vincitore nel 2018 del premio Breakthrough nelle scienze della vita. "Con questo lavoro, abbiamo deciso di comprendere il meccanismo sottostante di come funziona la resistenza, e per vedere quanto è generale."

Uno dei modi in cui le piante combattono le infezioni batteriche è uccidendo le proprie cellule in cui vengono rilevate le proteine ​​batteriche. Ma alcuni batteri hanno sviluppato una controstrategia:iniettare proteine ​​speciali che sopprimono la risposta immunitaria della pianta aggiungendo piccole, disabilitando i tag chimici chiamati gruppi acetilici alle molecole immunitarie. Questo processo è chiamato acetilazione. Ciò che rende alcune piante in grado di resistere a queste contromisure batteriche mentre altre soccombono alle infezioni rimane poco chiaro.

Come mezzo per comprendere meglio tali interazioni patogeno-pianta, La squadra di Chory si è rivolta all'erba ben studiata Arabidopsis thaliana e, in particolare, un enzima chiamato SOBER1, che era stato precedentemente segnalato per sopprimere la risposta immunitaria dell'erba a una proteina batterica nota come AvrBsT. Sebbene possa sembrare controintuitivo utilizzare la soppressione immunitaria per studiare la resistenza alle infezioni, i biologi di Salk pensavano che così facendo potesse fornire informazioni utili.

I ricercatori hanno iniziato determinando la sequenza di amminoacidi di SOBER1, il particolare ordine di elementi costitutivi che conferisce a una proteina la sua identità di base. intrigante, hanno scoperto che era molto simile a un enzima umano correlato alla via del cancro. Questo enzima contiene un caratteristico tunnel in cui le proteine ​​con determinati tipi di modificazioni possono adattarsi ed essere tagliate come parte della reazione enzimatica. Risulta che SOBER1 può essere classificato come parte di una vasta superfamiglia proteica nota come alfa/beta idrolasi. Questi enzimi condividono una struttura centrale comune ma sono molto flessibili nelle reazioni chimiche che catalizzano, che vanno dalla scomposizione dei grassi alla disintossicazione di sostanze chimiche chiamate perossidi.

Prossimo, hanno usato una tecnica vecchia di oltre 100 anni chiamata cristallografia a raggi X per determinare la struttura tridimensionale di SOBER1. Sebbene simile all'enzima umano, il tunnel dell'enzima della pianta aveva due aminoacidi extra che spuntavano dall'alto:uno all'ingresso e uno al centro.

"Quando li abbiamo visti, ci siamo resi conto che dovevano avere un effetto drammatico sulla funzione perché sostanzialmente bloccano il tunnel, ", afferma Marco Bürger, socio di ricerca di Salk e co-primo autore.

Per scoprire quale potrebbe essere lo scopo, Bürger e il co-primo autore Björn Willige, anche collaboratore di ricerca, hanno utilizzato substrati (molecole su cui agiscono gli enzimi) con lunghezze diverse e testato biochimicamente come si adattano bene all'enzima e se possono essere tagliati. Solo alcuni tipi si adattano e sono stati tagliati:gruppi acetilici molto corti. Ciò ha suggerito che SOBER1 è una deacetilasi, una classe di enzimi che rimuove i gruppi acetile. Per di più, il team ha mutato SOBER1 e quindi ha aperto il tunnel bloccato. Con questo cambiamento, Bürger e Willige hanno progettato un enzima che ha perso la sua forte specificità per i gruppi acetile corti e ha preferito invece substrati più lunghi.

"Per i primi esperimenti di biochimica, abbiamo usato stabilito, substrati artificiali, " dice Willige. "Ma poi volevamo vedere cosa sarebbe successo nelle piante".

Per questo, hanno usato piante di tabacco, che hanno foglie grandi con cui è facile lavorare, e un batterio che produce AvrBsT, che è noto per innescare l'acetilazione. Hanno prodotto AvrBsT in diverse regioni delle foglie di tabacco insieme a SOBER1 e diverse versioni mutate (e quindi non funzionali) dell'enzima.

Le foglie che producono AvrBsT avevano macchie marroni di tessuto morto, indicando che AvrBsT aveva avviato un programma di morte cellulare per ridurre la diffusione sistemica del patogeno. Le foglie che hanno prodotto AvrBsT insieme a SOBER1 sembravano sane, indicando che SOBER1 ha invertito l'azione di AvrBsT. Sorprendentemente, le versioni mutate di SOBER1 con un tunnel aperto non erano in grado di impedire la morte del tessuto. Da questa, i ricercatori hanno concluso che la deacetilazione deve essere la reazione chimica sottostante che porta alla soppressione della risposta immunitaria della pianta.

I test sul tabacco hanno supportato l'idea che SOBER1 sia una deacetilasi in grado di rimuovere i gruppi acetilici aggiunti dalle proteine ​​batteriche. Senza i gruppi acetile che marcano le proteine, la pianta non li ha riconosciuti come estranei e quindi non ha attivato una risposta immunitaria che uccide le cellule. Le foglie sembravano più sane perché le cellule non stavano morendo.

"La funzione di SOBER1 è sorprendente perché mantiene in vita i tessuti infetti, che mette a rischio la pianta, "dice Chory, che detiene anche la cattedra Howard H. e Maryam R. Newman in biologia vegetale a Salk. "Ma stiamo appena iniziando a capire questi tipi di meccanismi, e potrebbero benissimo esserci condizioni in cui le azioni di SOBER1 sono vantaggiose."

Ulteriori test hanno dimostrato che l'attività e la funzione di SOBER1 non è limitata all'erba Arabidopsis thaliana, ma esiste anche in una pianta chiamata colza, a dimostrazione del fatto che i risultati del laboratorio di Chory potrebbero essere applicati alle colture agricole e alle risorse di biocarburanti.

Bürger e Willige vorrebbero iniziare lo screening per gli inibitori chimici che potrebbero bloccare SOBER1, consentendo così alle piante di avere una risposta immunitaria completa ai batteri patogeni.