DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58833-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40229290
تاريخ النشر: 2025-04-14
المؤلف: Yunlong Lin وآخرون
الموضوع الرئيسي: تفاعلات النباتات والميكروبات والمناعة
نظرة عامة
في هذا القسم، يبحث المؤلفون في دور الكالمودولين (CaM) كمستشعر رئيسي للكالسيوم (Ca²⁺) في النباتات وتفاعله مع المؤثر الفطري PdCDIE1 من *Penicillium digitatum*. يقوم PdCDIE1 بتعطيل ارتباط CaM بالهدف، مما يؤدي إلى موت الخلايا المعتمد على أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) في النباتات. المؤثر محفوظ تطوريًا ويعزز بشكل كبير من شدة الفطريات المسببة للأمراض من خلال التفاعل مع بروتين الصدمة الحرارية النباتي Hsp70، الذي يعمل عادةً على التخفيف من موت الخلايا الناجم عن ROS. خلال عدوى الفطريات المسببة للأمراض، يتأثر التفاعل بين CaM وHsp70، ولكن يتم استعادة هذا التفاعل عندما يكون هناك طافرة ΔPdCDIE1.
تسلط الدراسة الضوء على أن تطبيق مثبط CaM أو كتم جينات CaM يحاكي آثار PdCDIE1، مما يؤدي إلى موت خلايا النبات وزيادة مستويات ROS. توضح هذه الأبحاث إطارًا جزيئيًا للعرض القابل للتحفيز بواسطة المؤثر، مما يبرز تكامل إشارات Ca²⁺ واستتباب ROS في تنظيم موت خلايا النبات. تؤكد النتائج على تعقيد إشارات Ca²⁺ في تفاعلات النباتات مع مسببات الأمراض ودورها المزدوج في تعزيز المناعة وتسهيل القابلية، وهو أمر حاسم لتطوير استراتيجيات فعالة لمكافحة أمراض النباتات.
مقدمة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في التفاعل بين المنطقة الطرفية N من PdCDIE1 ونطاق ارتباط CaM من CsHsp70. قسم الباحثون البروتين الناضج المتوقع لـ PdCDIE1 إلى قسمين: الطرف N (PdCDIE1 N) والطرف C (PdCDIE1 C). باستخدام اختبارات الهجين الثنائي في الخميرة (Y2H) واختبارات السحب في المختبر، تم إثبات أن PdCDIE1 N فقط هو الذي تفاعل مع CsHsp70، بينما لم يتفاعل PdCDIE1 C. علاوة على ذلك، أدى التعبير المؤقت بواسطة Agrobacterium لـ PdCDIE1 N إلى موت خلايا النبات، مما يعزز أهمية هذا التفاعل. كشفت اختبارات Y2H أن كل من PdCDIE1 وPdCDIE1 N تفاعلا بشكل محدد مع الببتيد A من CsHsp70، الذي يحتوي على نطاق ارتباط CaM، ولكن ليس مع ببتيدات أخرى. أكدت اختبارات التفاعل المناعي المشترك (Co-IP) أن PdCDIE1 يتفاعل مع CsHsp70 في النبات، ولكن ليس مع نسخة طافرة تفتقر إلى نطاق ارتباط CaM.
بالإضافة إلى ذلك، استكشفت الدراسة ديناميات تفاعلات CaM وHsp70 خلال عدوى مسببات الأمراض. وُجد أنه بينما زادت مستويات Ca²⁺ داخل الخلايا في ثمار الحمضيات المصابة بـ Pd، كان التفاعل بين CsCaM وCsHsp70 ضعيفًا، على الأرجح بسبب الارتباط التنافسي بواسطة PdCDIE1. على النقيض من ذلك، تم استعادة التفاعل بين CsCaM وCsHsp70 في ثمار الحمضيات المصابة بطافرة ΔPdCDIE1. تشير هذه النتائج إلى أن PdCDIE1 يعطل تفاعل CaM-Hsp70 خلال عدوى Pd، مما قد يؤثر على استجابة النبات لمسبب المرض.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مواد نباتية وفطرية متنوعة، تحديدًا برتقالة غنان (Citrus sinensis)، وتفاح ‘فوجي’ (Malus domestica)، ونبات نيكوتيانا بينثاميانا، وطماطم (Solanum lycopersicum) cv. Micro-Tom. تم الحصول على عينات فواكه موحدة الحجم من نفس السوبر ماركت، مما يضمن التناسق من خلال اختيار الفواكه من نفس الصنف والبساتين في مناطق مماثلة بالتنسيق مع المورد. كان المسبب المستخدم للتلقيح هو سلالة Pd CQU-1 58.
لتقييم آثار المسبب، تم تعريض ثمار الحمضيات للجروح عبر الثقوب، تلتها تلقيح بقطرات 5 ميكرولتر من كونيديا Pd بتركيز \(10^5\) سبور/مل في كل موقع جرح. ثم تم حاضنة الثمار الملقحة عند 25 درجة مئوية، وتم مراقبة تطور أنماط المرض بشكل منهجي طوال التجربة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث أسفرت الاختبارات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يشير إلى أدلة قوية ضد الفرضية الصفرية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن المجموعة التجريبية أظهرت تحسنًا ملحوظًا في مقاييس الأداء مقارنةً بالمجموعة الضابطة، مع حساب أحجام التأثير لت quantifying حجم هذا الفرق. توضح التمثيلات الرسومية، مثل الرسوم البيانية الشريطية والمخططات النقطية، هذه النتائج بشكل أكبر، مما يوفر تأكيدًا بصريًا على الاتجاهات الملحوظة في البيانات العددية. بشكل عام، تدعم النتائج الفرضية وتساهم بأفكار قيمة في الجسم المعرفي القائم في هذا المجال.
المناقشة
في هذه الدراسة، حدد المؤلفون مؤثرًا يحفز موت الخلايا، PdCDIE1، من المسبب الفطري النخر Penicillium digitatum (Pd)، الذي يساهم بشكل كبير في شدة الفطريات في ثمار الحمضيات. من خلال التعبير المؤقت بواسطة Agrobacterium في نيكوتيانا بينثاميانا وثمار الحمضيات، تم إظهار أن PdCDIE1 يحفز موت الخلايا، كما يتضح من زيادة تسرب الإلكتروليت وصبغ اليوديد البروبيوم. وُجد أن المؤثر محفوظ بين مختلف مسببات الأمراض الفطرية، مع وجود نظائر في مسببات الأمراض الأخرى بعد الحصاد exhibiting أنشطة مماثلة في تحفيز موت الخلايا. من الجدير بالذكر أن PdCDIE1 يتفاعل مع بروتين الصدمة الحرارية النباتي Hsp70، الذي يُعتقد أنه يلعب دورًا في تنظيم موت خلايا النبات ومستويات ROS.
توضح الدراسة أيضًا دور PdCDIE1 في التلاعب باستجابات النبات المضيف من خلال تعطيل تفاعل CaM-Hsp70، مما يؤدي إلى زيادة مستويات ROS التي تحفز موت الخلايا. أظهر المؤلفون أن كتم جينات CaM أو تطبيق مثبط CaM أدى إلى زيادة موت خلايا النبات وتراكم ROS، مما يعكس آثار PdCDIE1. توفر هذه الأبحاث رؤى حول الآليات الجزيئية التي من خلالها يعزز PdCDIE1 عدوى مسببات الأمراض، مما يبرز التفاعل بين إشارات Ca²⁺، واستتباب ROS، والقابلية للتحفيز بواسطة المؤثر في تفاعلات النباتات مع مسببات الأمراض.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-58833-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40229290
Publication Date: 2025-04-14
Author(s): Yunlong Lin et al.
Primary Topic: Plant-Microbe Interactions and Immunity
Overview
In this section, the authors investigate the role of calmodulin (CaM) as a key calcium (Ca²⁺) sensor in plants and its interaction with the fungal effector PdCDIE1 from *Penicillium digitatum*. PdCDIE1 disrupts CaM-target binding, leading to reactive oxygen species (ROS)-dependent cell death in plants. The effector is evolutionarily conserved and significantly enhances pathogen virulence by interacting with the plant heat shock protein Hsp70, which normally acts to mitigate ROS-induced cell death. During pathogen infection, the interaction between CaM and Hsp70 is impaired, but this interaction is restored when a ΔPdCDIE1 mutant is present.
The study highlights that the application of a CaM inhibitor or silencing of CaM genes mimics the effects of PdCDIE1, inducing plant cell death and elevated ROS levels. This research elucidates a molecular framework for effector-triggered susceptibility, emphasizing the integration of Ca²⁺ signaling and ROS homeostasis in the regulation of plant cell death. The findings underscore the complexity of Ca²⁺ signaling in plant-pathogen interactions and its dual role in both promoting immunity and facilitating susceptibility, which is critical for developing effective strategies to combat plant diseases.
Introduction
In this study, the interaction between the N-terminal region of PdCDIE1 and the CaM-binding domain of CsHsp70 was investigated. The researchers divided the predicted mature protein of PdCDIE1 into two segments: the N-terminal (PdCDIE1 N) and the C-terminal (PdCDIE1 C). Using yeast two-hybrid (Y2H) and in vitro pull-down assays, it was demonstrated that only PdCDIE1 N interacted with CsHsp70, while PdCDIE1 C did not. Furthermore, Agrobacterium-mediated transient expression of PdCDIE1 N induced plant cell death, reinforcing the significance of this interaction. Y2H assays revealed that both PdCDIE1 and PdCDIE1 N specifically interacted with peptide A of CsHsp70, which contains the CaM-binding domain, but not with other peptides. Co-immunoprecipitation (Co-IP) assays confirmed that PdCDIE1 interacts with CsHsp70 in planta, but not with a mutant version lacking the CaM-binding domain.
Additionally, the study explored the dynamics of CaM and Hsp70 interactions during pathogen infection. It was found that while intracellular Ca²⁺ levels increased in Pd-infected citrus fruit, the interaction between CsCaM and CsHsp70 was weak, likely due to competitive binding by PdCDIE1. In contrast, the interaction between CsCaM and CsHsp70 was restored in citrus fruit infected with a ΔPdCDIE1 mutant. These findings suggest that PdCDIE1 disrupts the CaM-Hsp70 interaction during Pd infection, potentially impacting the plant’s response to the pathogen.
Methods
In this study, various plant and fungal materials were utilized, specifically Gannan navel orange (Citrus sinensis), ‘Fuji’ apple (Malus domestica), Nicotiana benthamiana, and tomato (Solanum lycopersicum) cv. Micro-Tom. Uniform-sized fruit samples were sourced from the same supermarket, ensuring consistency by selecting fruits from the same cultivar and orchards in similar regions through coordination with the supplier. The pathogen used for inoculation was the Pd strain CQU-1 58.
To assess the effects of the pathogen, the citrus fruits were subjected to wounding via punctures, followed by inoculation with 5-μL drops of Pd conidia at a concentration of \(10^5\) spores/mL at each wound site. The inoculated fruits were then incubated at 25 °C, and the development of disease phenotypes was systematically monitored throughout the experiment.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical tests yielding p-values below the conventional threshold of 0.05, suggesting strong evidence against the null hypothesis.
Additionally, the results demonstrate that the experimental group exhibited a marked improvement in performance metrics compared to the control group, with effect sizes calculated to quantify the magnitude of this difference. Graphical representations, such as bar charts and scatter plots, further illustrate these findings, providing visual confirmation of the trends observed in the numerical data. Overall, the results support the hypothesis and contribute valuable insights to the existing body of knowledge in the field.
Discussion
In this study, the authors identified a cell death-inducing effector, PdCDIE1, from the necrotrophic fungal pathogen Penicillium digitatum (Pd), which significantly contributes to its virulence in citrus fruit. Through Agrobacterium-mediated transient expression in Nicotiana benthamiana and citrus fruit, PdCDIE1 was shown to induce cell death, as evidenced by increased electrolyte leakage and propidium iodide staining. The effector was found to be conserved among various fungal pathogens, with homologs in other postharvest pathogens exhibiting similar cell death-inducing activities. Notably, PdCDIE1 interacts with the plant heat shock protein Hsp70, which is implicated in regulating plant cell death and ROS levels.
The study further elucidates the role of PdCDIE1 in manipulating host plant responses by disrupting the CaM-Hsp70 interaction, leading to elevated ROS levels that trigger cell death. The authors demonstrated that silencing CaM genes or applying a CaM inhibitor resulted in increased plant cell death and ROS accumulation, mirroring the effects of PdCDIE1. This research provides insights into the molecular mechanisms by which PdCDIE1 promotes pathogen infection, highlighting the interplay between Ca²⁺ signaling, ROS homeostasis, and effector-triggered susceptibility in plant-pathogen interactions.