DOI: https://doi.org/10.1007/s44154-024-00160-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38880851
تاريخ النشر: 2024-06-17
المؤلف: Mohamed Elsisi وآخرون
الموضوع الرئيسي: استجابات النباتات للضغط والتحمل
نظرة عامة
تتناول المراجعة الدور الحاسم لحمض الساليسيليك (SA) في تعزيز مرونة النباتات ضد الضغوط غير الحيوية التي تفاقمت بسبب تغير المناخ، مثل درجات الحرارة القصوى، والجفاف، والملوحة. تسلط الضوء على الآليات الجينية والجزيئية التي من خلالها يخفف SA من الأضرار الناتجة عن الضغوط، مع التركيز على مسارات تخليقها والعمليات التنظيمية. تشير النتائج الرئيسية إلى أن إنتاج SA يتأثر بالعوامل المناخية، حيث تكون المسارات التي تتوسطها إنزيم الإيزوكوريسمات سينثاز (ICS) وإنزيم الفينيل ألانين أمونيا ليز (PAL) حساسة بشكل خاص لظروف الضغوط غير الحيوية. كما يُلاحظ أن المنظم النسخي NPR1 له دور في تنظيمه تحت ظروف بيئية متغيرة.
تؤكد المراجعة على الحاجة إلى مزيد من البحث لتوضيح التفاعلات المعقدة لـ SA مع هرمونات النباتات الأخرى وآليات الإشارة الخاصة به. على الرغم من التقدم الكبير في فهم دور SA في تحمل الضغوط، لا تزال هناك فجوات، خاصة فيما يتعلق بالآليات الجينية المعنية والتطبيقات المحتملة لـ SA في الزراعة. يُوصى بإجراء تحقيقات مستقبلية لاستخدام الأساليب النسخية والمعلوماتية الحيوية لاستكشاف شبكة إشارة SA وتأثيراتها عبر أنواع نباتية مختلفة تحت ظروف ضغوط متنوعة. تهدف هذه التحليل الشامل إلى سد الفجوات المعرفية الحالية وتعزيز الممارسات الزراعية المستدامة في مواجهة تغير المناخ.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية القضية الحرجة لتغير المناخ، الذي يقوده بشكل أساسي انبعاثات غازات الدفيئة من مصادر طبيعية وبشرية. يبرز المؤلفون التأثير الكبير لتغير المناخ على الأمن الغذائي العالمي، مشيرين إلى انخفاض متوقع في غلات المحاصيل بنسبة 9% بحلول الثلاثينيات و23% بحلول الخمسينيات، مع تباينات عبر دول ومحاصيل مختلفة. تؤكد الورقة على تزايد تكرار وشدة الضغوط غير الحيوية مثل الجفاف، والحرارة، وملوحة التربة، التي تفاقمت بسبب تغير المناخ وتهدد الإنتاجية الزراعية. من الجدير بالذكر أن هذه الضغوط قد تؤدي إلى خسارة تقدر بنسبة 42% في غلات المحاصيل لأكثر المحاصيل إنتاجًا في العالم.
يركز المؤلفون على حمض الساليسيليك (SA)، وهو هرمون نباتي يلعب دورًا حاسمًا في استجابة النباتات للضغوط غير الحيوية. يتم تخليق SA من خلال مسارين رئيسيين: مسار الفينيل ألانين أمونيا ليز (PAL) ومسار الإيزوكوريسمات سينثاز (ICS). تناقش الورقة كيف يتوسط SA استجابات الضغوط من خلال تنظيم التعبير الجيني وتفعيل آليات الدفاع، مما يجعله عنصرًا حيويًا في تعزيز مرونة النباتات ضد الضغوط الناتجة عن تغير المناخ. على الرغم من التقدم في فهم دور SA، يعترف المؤلفون بوجود فجوات في المعرفة بشأن آلياته في تحمل الضغوط غير الحيوية، مما يمهد الطريق لاستكشاف وظائف SA وتفاعلاته مع أنظمة الإشارة الهرمونية الأخرى في النباتات.
مناقشة
يحدث تخليق حمض الساليسيليك (SA) في النباتات من خلال مسارين رئيسيين: مسار الإيزوكوريسمات (ICS) ومسار الفينيل ألانين أمونيا ليز (PAL). يعمل مسار ICS، المحدد لعائلة البراسيكاسي، في البلاستيدات ويشمل تحويل الكوريسمات إلى إيزوكوريسمات (IC) عبر إنزيم AtICS1، بينما يعمل مسار PAL، المنتشر في محاصيل متنوعة، في السيتوسول ويحول الفينيل ألانين (Phe) إلى حمض الترانس-سيناميك (tCA). تعتبر الجينات الرئيسية مثل EDS5 وICS1 وPBS3 حاسمة لمسار ICS، حيث تم تحديد PBS3 كإنزيم إيزوكوريسمات ليز يساهم في إنتاج SA. في المقابل، يتم دعم دور مسار PAL في تخليق SA من خلال زيادة تعبير PAL أثناء مقاومة مسببات الأمراض، على الرغم من أن مساهماته الدقيقة في تخليق SA تتطلب مزيدًا من التوضيح.
يتم التحكم في تنظيم تخليق SA بشكل محكم من خلال آليات نسخ إيجابية وسلبية. تعزز المنظمات الإيجابية، بما في ذلك عوامل النسخ المرتبطة بالكالمودولين (CBFs) وعوامل النسخ WRKY، التعبير عن جينات تخليق SA استجابةً للضغوط. على العكس، يمكن أن تمنع المنظمات السلبية مثل CBP60a وعوامل النسخ NAC إنتاج SA. بالإضافة إلى ذلك، يلعب SA دورًا كبيرًا في استجابة النباتات للضغوط غير الحيوية، مما يعزز إغلاق الثغور، وينظم تراكم الأسموليت (مثل البرولين والبيتين الجليسي)، ويعزز امتصاص المعادن. تساهم هذه الآليات مجتمعة في تحسين مرونة النباتات تحت ظروف الضغوط، مما يبرز الدور المتعدد الأوجه لـ SA في استراتيجيات الدفاع والتكيف للنباتات. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لفهم تعقيدات تخليق SA وشبكات تنظيمه في النباتات بشكل كامل.
DOI: https://doi.org/10.1007/s44154-024-00160-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38880851
Publication Date: 2024-06-17
Author(s): Mohamed Elsisi et al.
Primary Topic: Plant Stress Responses and Tolerance
Overview
The review discusses the critical role of salicylic acid (SA) in enhancing plant resilience against abiotic stresses exacerbated by climate change, such as extreme temperatures, drought, and salinity. It highlights the genetic and molecular mechanisms through which SA mitigates stress-induced damage, focusing on its biosynthesis pathways and regulatory processes. Key findings indicate that SA production is influenced by climatic factors, with pathways mediated by isochorismate synthase (ICS) and phenylalanine ammonia lyase (PAL) being particularly sensitive to abiotic stress conditions. The transcriptional coactivator NPR1 is also noted for its regulation under varying environmental conditions.
The review emphasizes the need for further research to fully elucidate the complex interactions of SA with other phytohormones and its signaling mechanisms. Despite significant advancements in understanding SA’s role in stress tolerance, gaps remain, particularly regarding the genetic mechanisms involved and the potential applications of SA in agriculture. Future investigations are recommended to utilize transcriptomic and bioinformatics approaches to explore the SA signaling network and its effects across different plant species under diverse stress conditions. This comprehensive analysis aims to bridge existing knowledge gaps and promote sustainable agricultural practices in the face of climate change.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the critical issue of climate change, which is primarily driven by greenhouse gas emissions from both natural and anthropogenic sources. The authors highlight the significant impact of climate change on global food security, noting a projected decrease in crop yields of 9% by the 2030s and 23% by the 2050s, with variations across different countries and crops. The paper emphasizes the increasing frequency and intensity of abiotic stresses such as drought, heat, and soil salinity, which are exacerbated by climate change and threaten agricultural productivity. Notably, these stresses could lead to an estimated 42% loss in crop yields for the eight most commonly produced crops worldwide.
The authors focus on salicylic acid (SA), a phytohormone that plays a crucial role in plant responses to abiotic stresses. SA is synthesized through two main pathways: the phenylalanine ammonia-lyase (PAL) pathway and the isochorismate synthase (ICS) pathway. The paper discusses how SA mediates stress responses by regulating gene expression and activating defense mechanisms, positioning it as a vital component in enhancing plant resilience against climate-induced stresses. Despite the progress in understanding SA’s role, the authors acknowledge existing gaps in knowledge regarding its mechanisms in abiotic stress tolerance, setting the stage for the review’s exploration of SA’s functions and interactions with other hormonal signaling systems in plants.
Discussion
The biosynthesis of salicylic acid (SA) in plants occurs through two primary pathways: the isochorismate (ICS) pathway and the phenylalanine ammonia-lyase (PAL) pathway. The ICS pathway, specific to the Brassicaceae family, operates in the plastids and involves the conversion of chorismate to isochorismate (IC) via the AtICS1 enzyme, while the PAL pathway, prevalent in various crops, operates in the cytosol and converts phenylalanine (Phe) to trans-cinnamic acid (tCA). Key genes such as EDS5, ICS1, and PBS3 are crucial for the ICS pathway, with PBS3 identified as an isochorismate lyase that contributes to SA production. In contrast, the PAL pathway’s role in SA synthesis is supported by increased PAL expression during pathogen resistance, although its exact contributions to SA biosynthesis require further elucidation.
Regulation of SA biosynthesis is tightly controlled through both positive and negative transcriptional mechanisms. Positive regulators, including calmodulin-binding transcription factors (CBFs) and WRKY transcription factors, enhance the expression of SA biosynthesis genes in response to stress. Conversely, negative regulators such as CBP60a and NAC transcription factors can inhibit SA production. Additionally, SA plays a significant role in plant responses to abiotic stress, promoting stomatal closure, regulating osmolyte accumulation (such as proline and glycine betaine), and enhancing mineral uptake. These mechanisms collectively contribute to improved plant resilience under stress conditions, highlighting the multifaceted role of SA in plant defense and adaptation strategies. Further research is necessary to fully understand the complexities of SA biosynthesis and its regulatory networks in plants.