박테리아 비병원성 이펙터를 인식하는 새로운 식물 병저항성 유전자의 발굴 및 탐색

Abstract

식물은 동물과는 다르게 선천적 면역에만 의존하여 다양한 병원균의 침입을 방어한다. 이 면역 과정의 전선에서, 식물은 병원균 간에 공유되는 특징적인 분자를 인식하거나 (PAMP-Triggered Immunity, PTI), 이후에 병원균이 PTI 를 억제하기 위해 식물 세포 내로 주입하는 이펙터를 특이적으로 인식하고 면역 반응을 유도한다 (Effector-Triggered Immunity, ETI). 따라서, ETI 는 병원균의 침입 초기에 발생하는 PTI 보다 한층 더 특이적이고 그 세기가 강하다는 특징을 가진다. 이번 연구에서, 우리는 크게 세 가지의 식물 종에서 식물-병원성 박테리아에서 분비되는 이펙터로부터 유도되는 병저항성 및 감수성 발생 과정을 이해하고자 했다. 첫번째로, 감자의 야생 근연종인 까마중에서 단백질 절단 활성을 가지는 이펙터 AvrPphB 를 인식하는 병저항성 유전자를 발굴하고자 했다. 우리는 전통적인 유전학 및 바이오인포매틱스를 결합하여 새로운 병저항성 유전자인 Rps-amr1을 찾아냈다. 이 유전자는 다른 식물 내에서 AvrPphB 인식한다고 보고된 RPS5나 PBR1과는 서열 유사도가 없이, 가지과에서만 특이적으로 보존된 것으로 보인다. 놀랍게도, Rps-amr1은 기존 두 병저항성 유전자와 마찬가지로 이펙터에 의한 PBS1 절단 인식 메커니즘을 지닌다. 이는 동물과는 다르게 선천 면역만을 보유하는 식물이 인식할 수 있는 병원균 이펙터 총체의 범위를 넓히기 위한 전략이 수렴진화 했음을 암시한다. 두번째로, 널리 사용되는 모델 식물 애기장대에서 HopF4b 가 인식되는 메커니즘을 밝히고자 했다. 이로부터, 기존에 곰팡이 독소인 victorin을 인식하여 병 감수성을 발현하는 유전자 LOV1 이 박테리아 병원균의 이펙터인 HopF4b를 인식하여 병 저항성 증상인 세포괴사반응을 유도함을 밝혀냈다. 또한, LOV1와 더불어 RPM1 역시 이 이펙터의 인식과정에 참여함을 확인했다. 이로부터 하나의 저항성 유전자가 여러 종의 병원균의 인식에 관여 및 상반되는 병증을 이끌어내며, 박테리아 병원균의 침입을 막기 위해 이펙터의 화학적 활성을 인식하는데 하나 이상의 저항성 유전자가 참여함을 밝혔다. 마지막으로, Xanthomonas 이펙터 총체와 식물 세포 내 cytoplasm에 특이적으로 위치하는 kinase domain을 지닌 단백질, 특히 토마토의 RLCK 간의 상호작용을 이해하고자 했다. Y2H 스크리닝으로부터, 우리는 XopJ1이 화학적 활성 여부에 따라 물리적으로 상호작용하는 RLCK 군집이 달라짐을 확인했다. 또한, 서로 서열 유사도나 화학적 활성에 유사함이 없는 두 이펙터 XopO와 XopP가 같은 그룹에 속하는 RLCK와 물리적으로 상호작용함을 밝혀냈다. 이는 식물 세포 내에서 다양한 신호전달 과정에 참여하는 RLCK를 겨냥하기 위해 식물병원균이 이펙터를 무기화하여 효율적으로 병원성을 발현고자 하는 것으로 해석할 수 있다. 우리가 이 연구를 통해 밝힌 결과들은, 앞으로 가지과와 십자화과에 속하는 여러 식물 종 내에서 병저항성 유전자의 발현 메커니즘을 이해하고, 더 나아가 병원균 이펙터를 인식하여 병저항성/감수성이 발현되는 과정을 해석하는 기반이 될 것이다.

Plants, unlike animals, rely only on innate immunity to defend against the invasion of various pathogens. At the forefront of this immune process, plants either recognize the characteristic molecules shared between pathogen species (PAMP-triggered immunity, PTI) or specifically recognize the effectors that the pathogen subsequently injects into plant cells to suppress PTI, leading to the activation of immune responses. Therefore, effector-triggered immunity (ETI) is more specific and robust than PTI occurring at the initial stage of pathogen invasion. This study aims to understand the development of disease resistance and susceptibility induced by effectors secreted by plant-pathogenic bacteria within three plant species. First, I attempted to discover a disease resistance gene recognizing the well-studied type III secretion system effector (T3E) AvrPphB, harbouring the protein cleavage activity in Solanaceae plant black nightshades. By combining traditional genetic and bioinformatic approaches, we identified a novel disease resistance gene, Rps-amr1. This gene appears to be present only in Solanaceae, with no sequence similarity to RPS5 or PBR1, that is known to recognize AvrPphB in Arabidopsis and barley, respectively. However, Rps-amr1 still guards PBLs modification by AvrPphB, similar to the two reported NLRs. These data suggest that strategies for expanding the range of pathogenic effectors recognized by plants possessing only innate immunity have evolved convergently. Second, I tried to elucidate how HopF4b is recognized in Arabidopsis thaliana, a widely used model plant species. I found that the gene LOV1, known to recognize the fungal toxin victorin and express disease susceptibility, also recognizes the bacterial effector HopF4b and induces Hypersensitive responses as a representative of ETI. In addition, it was confirmed that RPM1, along with LOV1, participates in recognition of the effector. Based on this finding, I demonstrated that the typical CC-NB-LRR is involved in recognizing several pathogens and leads to conflicting disease phenotypes. More than one resistance gene participates in recognizing the effector's biochemical activity to prevent the invasion of bacterial pathogens. Finally, I performed a yeast two-hybrid (Y2H) experiment to understand the interaction between the Xanthomonas effectors and Receptor-like cytoplasmic kinases (RLCKs) from tomato. I confirmed that the specific RLCK group physically interacts with XopJ1 depending on its cysteine residue. Additionally, I also showed that two effectors, XopO and XopP, which do not have a significant sequence identity physically interact with several RLCK IXb members. This result can be interpreted as an attempt by phytopathogens to effectively express pathogenicity by weaponizing the effector repertoire to target RLCKs, which participate in various signaling pathways in plant cells. The results I showed here are the basis for understanding the expression mechanism of disease resistance genes in various plant species belonging to Solanaceae and Cruciferae. Furthermore, I also expect to decipher the process of disease resistance and susceptibility by recognizing pathogenic effectors.