Defining Arabidopsis NPR1 orthologues in crops for translational plant immunity

Abstract

Arabidopsis has been the model dicot plant system to study a variety of processes including immunity. One type of immunity, termed systemic acquired resistance (SAR), is deployed upon detection of avirulent pathogens by a plant. SAR deployment is dependent on the small molecule salicylic acid (SA) and confers immunity against a broad range of biotrophic pathogens. In this process, SA is perceived by NPR1, a key transcriptional co-activator. Recruitment of SA by NPR1 leads to changes in the conformation of NPR1, which frees a C-terminal transactivation domain from the auto-inhibitory effect of the N-terminal BTB/POZ domain. During this unfolding process, NPR1 is itself recruited by TGA2 and together they form an enhanceosome capable of activating downstream genes, including the SAR marker gene PR1. NPR1 is conserved in sequence and function in both dicot and monocot species. As such, it is portable from one plant species to another. In Arabidopsis, NPR1 is part of a multigene family containing six members, labelled NPR1 to NPR6, which show no redundancy with respect to NPR1 function in immunity. Arabidopsis NPR1 and NPR2 share 63% amino acid sequence identity and yet NPR2 is not a functional NPR1 with respect to immune functions. When looking across plant species, the per cent amino acid identity between Arabidopsis NPR1 and potential NPR1 orthologues tends to be below the 63% shared between NPR1 and NPR2. In this paper, we will show that relying on sequence identity alone to identify NPR1 orthologues can be misleading.

Résumé

Arabidopsis est la plante dicotylédone modèle qui a permis d’étudier une variété de processus, y compris l’immunité. Un type d’immunité, la résistance systémique acquise (RSA), entre en action lorsqu’une plante détecte des agents pathogènes avirulents. L’entrée en action de la RSA dépend de la petite molécule de l’acide salicylique (AS) et confère une immunité contre une vaste gamme d’agents pathogènes biotrophes. Durant ce processus, l’AS est perçu par NPR1, un coactivateur transcriptionnel essentiel. Le recrutement de l’AS par ce coactivateur provoque des changements dans la conformation de ce dernier, ce qui libère un domaine de transactivation de la région C-terminale de l’effet auto-inhibiteur du domaine de la région N-terminale BTB/POZ. Au cours de ce processus, NPR1 est lui-même recruté par le facteur de transcription TGA2 et, ensemble, ils forment un enhanceosome capable d’activer des gènes en aval, y compris le gène PR1, marqueur de la RSA. NPR1 est conservé en séquence et fonctionne tant chez les espèces dicotylédones que monocotylédones. En tant que tel, il est transférable d’une espèce de plantes à une autre. Chez Arabidopsis, NPR1 fait partie d’une famille multigénique de six membres, marqués NPR1 à NPR6, qui n’affichent aucune redondance quant aux fonctions qu’assure NPR1 sur le plan de l’immunité. Chez Arabidopsis, NPR1 et NPR2 partagent une identité de séquence d’acides aminés de 63 % et, malgré cela, NPR2 n’est pas un coactivateur NPR1 fonctionnel en ce qui a trait aux fonctions immunitaires. Si l’on considère l’ensemble des espèces de plantes, le taux d’identité des acides aminés chez Arabidopsis, entre NPR1 et les possibles orthologues de NPR1, tend à se situer sous les 63 % partagés par NPR1 et NPR2. Dans cet article, nous montrerons que le fait de se fier uniquement à l’identité de séquence pour identifier les orthologues de NPR1 risque d’être trompeur.

Keywords:

• crop protection
• NPR1
• orthologue
• plant immunity
• soybean
• translational biology

Mots clés:

• Biologie translationnelle
• immunité des plantes
• NPR1
• orthologue
• protection des cultures
• soya

Acknowledgement

We thank the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (Discovery and Discovery Accelerator Supplement Programs), the Ontario Genomics (Pre-commercialization Business Development Fund) and the Canada Foundation for Innovation for their financial support to CD. CD is a founding member of Brock University’s Advanced Biomanufacturing Center, which supports CD and XK.