Effector-omics approaches for identifying Phytophthora capsici effectors inducing hypersensitive cell death in Nicotiana benthamiana

Abstract

Over time, plants and pathogens are engaged in arms race for survival. Pathogen secretes arsenals of effector proteins into the plant cells to manipulate the host defense. As a counterdefense, plants recruit nucleotide binding leucine rich repeat (NLR) proteins to recognize those effectors. The perception of an effector by a NLRs induces effector-triggered immunity (ETI) which is often accompanied by hypersensitive localized cell death (HR). To identify NLRs involved in ETI as a source of resistance, effector-omics approaches are employed. Particularly, much attention has been made on a large effector class with conserved RXLR domain. In this study, novel Phyophthora capsici RXLR effector candidates inducing HR-mimic cell death were investigated. Total 25 putative P. capsici RXLR effectors were predicted by bioinformatic tools and subjected to analyze cell death-inducing activity in Nicotiana benthamiana. As a result, 9 P. capsici RXLR effector candidates were selected and further examined to characterize the cell death in N. benthamiana. The selected P. capsici effector candidates could induce defense-related gene expression upon ectopic expression in N. benthamiana indicating that the effector-induced cell death is a mimic of HR. Moreover, the induction of cell death by selected effectors required SGT1, a chaperone component of NLR signaling. These results suggest that the identified P. capsici RXLR effector candidates may act as novel avirulent factors that induce cell death through recognizing specific NLRs in N. benthamiana. Taken together, the newly identified P. capsici effector candidates could contribute to further understanding of the mode of action in effector-triggered HR cell death in plants as well as identifying corresponding NLR genes in N. benthamiana for further application to develop disease resistant crops.

오랜 시간동안, 식물과 병원균은 생존을 위해 끊임없이 싸워왔다. 병원균은 식물의 방어 기작을 조절하기 위해 effector 라는 단백질을 식물 세포 안으로 분비한다. 식물체 안에서는 이에 대한 방어 기작으로 nucleotide binding leucine rich repeat (NLR) 단백질이 effector를 인지하여 effector-triggered immunity (ETI)라는 면역 반응을 유도한다. ETI는 과민성 세포 사멸 반응을 수반하는데, 이는 국소적인 세포 사멸의 형태로 나타난다. 저항성 자원으로서 면역 반응에 관여하는 NLR을 찾아내기 위해 effector를 재료로 한 많은 연구들이 진행되었다. 특히 난균류에 보존되어 있는 RXLR 도메인을 바탕으로 effector-omics 접근이 이루어지고 있다. 본 연구에서는, 과민성 세포 사멸 반응을 보이는 새로운 고추역병균의 RXLR effector후보군을 동정했다. 생물정보학적 분석을 통해 예측된 25개의 고추역병균 effector 후보군들 중 9개가 Nicotiana benthamiana에 세포 사멸 반응을 유도하였다. 세포 사멸 반응을 유도하는 effector 후보군들에 의해 방어기작과 관련된 유전자들의 상향조절이 이루어질 뿐 아니라, 세포 사멸에 이르기 위해 과민성 세포 사멸의 하위 신호 전달 과정중에 관여하는 Supressor of the G2 allele of SKP1 (SGT1)을 필요로 한다는 것을 통해 확인된 effector 후보군들이 N. benthamiana의 내생 NLR에 의해 인지되어 과민성 세포 사멸 반응을 일으키는데 관여할 것이라는 가능성을 보여주고 있다. 이는 과민성 세포 사멸 반응의 분자생물학적 기작에 대한 이해를 높이는 데에 기여할 뿐 아니라, 고추역병균의 effector 레퍼토리를 확장하는 데에 이바지 할 것이다.