پروتئینهای بازدارنده پلی گالاکتوروناز(PGIPs)

گیاهان دارای دیواره سلولی غنی از پلی ساکارید هستند که بعنوان مانعی در برابر پاتوژنهای قارچی عمل می کنند. قارچها بمنظور شکستن این دیواره دفاعی و دسترسی به بافت گیاه، اقدام به ترشح آنزیمهای polygalacturonase (PGs)می کنند. این آنزیمها  با تجزیه پلی گالاکتورونان حاضر در دیواره های سلولی بوسیله هیدرولیز پیوندهای گلیکوزیدی اسیدهای گالاکتورونیک(جزء کربوهیدراته مهم شبکه پکتین) موجب تجزیه پکتین شده و ورود پاتوژن و گسترش آن در درون گیاه هدف را میسر می سازند.

PG ها از نظرترجیح سوبسترا و مکانیسم و گستره القای شان در گیاهان متفاوت هستند.

گیاهان با تولید انواعی ازPG ها، سبب نرمی و شیرین شدن میوه های در حال رسیدن می شوند.

انواع : PG exo- and endo-polygalacturonase

PG های درونی بسیار سریعتر از PG های خارجی، میزان پلیمریزاسیون پلیمر پکتین را کاهش می دهند.

endo-PG ها(PG های درونی) مولکولهای بالقوه سیگنال رسانی هستند که از طریق آزاد سازی قطعات الیگو گالاکتورونیداز(OG)، پاسخهای دفاعی گیاه را تحریک می کنند. OGها، الیسیتورها (برانگیزاننده های) واقعی پاسخهای دفاعی گیاه مانند تجمع فیتوالکسین ها، تولید لیگنین، نکروزه شدن و تجمعPGIPs  هستند.

PG ها قادر به ممانعت از تجمع OG های فعال بوسیله دپلیمریزاسیون سریع آنها بصورت مولکولهایی که قادر بعمل بصورت برانگیزانندگان دفاع گیاهی نیستند، می باشند. بنابراین حدس زده می شودکه فاکتورهای محدود کننده فعالیت endo-PG ها موجب افزایش طول عمر و غلظت OG های فعال و در نتیجه  افزایش توان یا استمرار پاسخهای دفاعی گیاه می شوند.

عمل PG گاهی اوقات یک پیش ماده برای تجزیه دیواره سلولی بوسیله دیگر آنزیمهاست وقتی مشخص شده است که فعالیت PG پیش از آنزیمهایی چون گلی کوزیدازها، سلولازها، همی سلولازها و پکتینازهاست که می توانند پلی ساکاریدهای دیواره سلولی را تجزیه کنند.

Polygalacturonase Inhibiting Proteins =PGIPs

گياهان داراي گليکوپروتيئنهاي مهار کننده آنزيم پلي گالاکتوروناز (PGIP) مختلفي هستند كه عليه بسياري از پلی گالاکتورونازهای (PG) توليد شده توسط قارچها، بخصوص فرم endo-PG، توانايي تشخيص اختصاصي دارند.

در 1981، اولین پروتئینPGIP در میوه های آلوده با پاتوژن قارچی کشف شد .

PGIP ها در تعداد زیادی از گیاهان دولپه ای و در گیاهان تک لپه ای غنی از پکتین، پیاز و تره فرنگی، یافت شده اند. اخیرا فعالیت PGIP در آرابیدوپسیس، انگور و پنبه کشف شده است.

بدلیل جایگزینی اسید آمینه هیستیدین با اسید آمینه پرولین درPG های گیاهی، امکان برهمکنش میانPG  وPGIP های گیاهی وجود ندارد(گیاه بر علیه PG های تولیدی خود، واکنشی نشان نمی دهد).

PGIP ها در دیواره سلولی گیاه جای گرفته و با آن پیوند یونی یافته اند.

PGIP ها گلیکوپروتئین های حاوی مکانهای N-گلیکولیزاسیون حفاظت شده هستند، و عدم تجانس مشاهده شده در حجم مولکولی PGIP های دی گلیکوزیله شده (44-54kDa) می تواند به سبب گلیکولیزاسیون متفاوت انواع  PGIP ها باشد.

ستون فقراتPGIP  را واحدهای تکراری LRR تشکیل می دهند.PGIP ها شامل سه دامنه هستند: یک ناحیه مرکزیLRR  و دو منطقه کناری غنی از سیستئین. همه PGIPهای ایزوله شده از ساختاری با بالغ بر ده دامنهLRR تشکیل شده اند، که هر دامنهLRR  شامل بیست و چهار اسید امینه متفاوت است، بنابراین PGIPهای مختلف را تولید می کنند.

واحد تکراریLRR  برای مقاومت اختصاصی به پاتوژن لازم است:

LRR= Leucine-Rich Repeat                                                                                          

اختصاصی بودن PGIP

قارچ ممکن است PG های مختلف با الگوی بیان خاص خود تولید کند، و برای اینکه گیاهان برهمکنش با همه PGهای مختلف داشته باشند، درگیاهان PGIP های مختلفی با امکانات شناسایی PG خاص تکامل یافته اند.

برهمکنش میان PGIP و PG، ظاهرا موجب آزاد سازی مولکول PGIP از پکتین دیواره سلول گیاه می شود. PGIP های حاصله از منابع مختلف گیاهی از نظر فعالیتهای بازدارندگی PG تفاوت دارند، و PGIP های حاصله از یک منبع گیاهی می توانند PG های حاصل از قارچهای مختلف یا تنهاPG های حاصله از یک قارچ مشخص را بازدارند.

نشان داده شده است کهPvPGIP حاصل ازP. vulgaris L. (لوبیا)، PGهای درونی حاصله ازA. niger, F. moniliforme، سه نژاد C. lindemuthianum و سه ایزوفرم PGهای درونی تخلیص شده از A. japonicusرا ممانعت کرده بود. PvPGIP قادر به ممانعت از PG های درونی و پکتات لیاز (دیگر آنزیم تجزیه کننده پکتین دیواره سلولی) حاصله از باکتریErwinia carotovora  نیست.

PGIP تخلیص شده از میوه سیبGolden Delicious (MdPGIP)  میزان متفاوت بازدارندگی در برابر ایزوزفرم هایPG تخلیص شده از B. cinerea  نشان داده اند.

القای بیان PGIP بوسیله محرکهای استرس:

القای بیان PGIP بوسیله تعدادی از محرکهای استرس مانند تیمار با OG، جراحت یا تلقیح قارچ:

افزایش 10 برابری سطح بیان Pvpgip را متعاقب تیمار OGکشت سوسپانسیون سلولهایP. vulgaris (12 ساعت پس از تیمار به حداکثر میزان خود رسید)

افزایش بیان Pvpgip هیپوکوتیل های لوبیا متعاقب تیماربا SA (اسید سالیسیک)، بیان ژن 24 ساعت بعد به حداکثر خود رسید.

افزایش بیان ژن Pvpgip  متعاقبجراحت هیپوکوتیل ظرف یک ساعت، اما به میزان کمتر از میزان بیان ژن متعاقب تلقیح پاتوژن(بیان ژن،12 ساعت پس از جراحت به حداکثر میزان خود رسید).

PGIP چندین نقش در طی پاسخ به تنش بازی می کند. حضور ژنهای چندگانه (مانند Pvpgip درP. vulgaris L.) می تواند دلیل اختصاص یافتگی متفاوتPGIP های مختلف و همچنین تنظیم متفاوت ژنهایPvpgip در پاسخ به محرکهای مختلف را توضیح دهد.

بیان مختص بافت ژنهای pgip:

در شرایط معمول(عدم تلقیح قارچ)، PvPGIP حاصله ازP. vulgaris  در تمام بخشها و اندامهای گیاهچه در حال رشد لوبیا(برگ، ریشه، ساقه، گل، بذر و جنین) یافت شد. اما بدلیل وجود باکتریهای همزیست، مقادیر PvPGIP در ریشه ها کم بود.

در شرایط معمول، فعالیتRiPGIP در گلهای تمشک دیده نشد. تفاوت در مقادیرRiPGIP  در طی توسعه میوه از مرحله بسته شدن تا رسیدن میوه مشاهده شد. کاهش فعالیتRiPGIP  در میوه رسیده تمشک می تواند به سبب تغییرات پس از ترجمه، یا کاهش تنظیم فعالیت RiPGIP در طی رسیدگی میوه باشد.

از آنجا که تمام بخشهای گیاه می توانند بطور بالقوه در معرض حمله پاتوژن  قرار گیرند، پس از حمله قارچ، بیانPGIP  در سرتاسر بافتهای گیاه رخ می دهد.

ژن های رمز گردان PGIP ها:

ژن کد کنندهPvPGIP1 ،  ایزوله شده از P. vulgaris، اولین ژنی بود که ایزوله شد و Pvpgip1 نامیده می شود. از آن پس تاکنون، تعداد زیادی از ژنهای کد کننده  PGIP از انواع مختلف گیاهان ایزوله و توالی یابی  شده اند (بیش از 120 ژن).

ژنهای pgip معمولا بصوت خانواده های چند ژنی پیچیده وجود دارند. ژنهای چندگانه سطوح بالاتر دفاع را برای گیاهان بیان کننده آنها تضمین می کنند.

در اغلب گیاهان، ژن pgip برای تولید یک پلی پپتید با طول 300 تا 315 اسید آمینه کد می شود. برای مثالPvpgip1  یک پیش ماده پپتیدی با 312 اسید آمینه را کد می کندکه 29 اسید آمینه ابتدایی حاوی یک پپتید نشانه برای ترشح پروتئین هستند.

استفاده از میزان مشابهت توالی نوکلئوتیدی دو ژن تولید کنندهpgip  در دو گونه مختلف، برای تعیین روابط فیلوژنیک:

شباهت زیاد (86 درصدی) توالی نوکلوتیدی ژنpgip در گلابی و سیب نشان دهنده تجانس (وجود ژن باستانی مشترک) میان دو گونه است.

شباهت نه چندان زیاد( 60/3 درصدی) توالی نوکلوتیدی ژن pgipدر سویا(Gmpgip) و لوبیا (Pcpgip) نشان دهنده عدم تجانس میان دو گونه است.

گیاهان ترنس ژنیک :

مقدار پایین لکتین در دیواره سلولی گیاهان تک لپه ای، آنها را به هدف خوبی برای انتقال ژنهایpgip  گیاهان دولپه تبدیل ساخته است:

انتقال ژن  pgipاز لوبیا به واریته برنج Hi-II و تولید گیاه ترنس ژنیک مقاوم به Stenocarpella maydis

امکان بکارگیری گیاهان ترنس ژنیک برای مبارزه با سایر آفات همچون نماتدها، حشرات و باکتریهای پوساننده ریشه

مرکبات ترنس ژنیک دارای ژنpgip  انگور : مقاوم به شپشه ریشه 

انگور ترنس ژنیک دارای ژنpgip  گلابی:  مقاوم به باکتری  Xylella  fastidiosa

تنباکو و گوجه فرنگی دارای ژن  pgipلوبیا، رشد بیشتر و اندام تنومندتری داشته اند. پکتین گوجه فرنگی ترنس ژنیک، درجه بالایی از متیلاسیون را نسبت به نمونه های وحشی نشان داده است.