Introduction

Plant cuticle is the outer layer of plants, which covers leaves, fruits, flowers, and non-woody stems of higher plants. Protege as plantas contra a seca, temperaturas extremas, radiação UV, ataque químico, lesões mecânicas e infecção patogénica/peste. Ele também fornece suporte mecânico e serve como uma barreira contra a fusão de órgãos (Yeats e Rose, 2013; Kim et al., 2017).,a cutícula vegetal inclui principalmente uma matriz de cutina (um poliéster insolúvel) e cera incorporada (lípidos solúveis) (Figura 1) (Kunst e Samuels, 2009). As composições de cera e cutina da cutícula vegetal podem variar amplamente entre espécies vegetais e vários órgãos (Yeats e Rose, 2013). A cutícula de cada órgão tem características específicas, por exemplo, a cutícula de fruto é geralmente mais espessa do que a cutícula de folha e carece de estomas. Porque a cutícula frutífera é um modulador crítico da qualidade pós-colheita de frutos, tais como os seus efeitos na retenção de água dos frutos (Kosma et al.,, 2010), responses to physical and biological stresses (Kosma et al., 2009), e firmeza (Mata et al., 2009; Lara et al., 2014; Vallarino et al., 2017), está a atrair cada vez mais a atenção da investigação.

para a maioria das espécies vegetais, os polímeros de cutina contêm principalmente ácidos gordos esterificados e oxigenados associados (FAs), pequenas quantidades de glicerol, propanóides fenílicos, etc., (Heredia, 2003). As ceras cuticulares são misturas complexas, que consistem principalmente de vários alcanos primários e secundários, álcoois, aldeídos, cetonas e ésteres derivados de FAs de cadeia muito longa (C20-C34) (Raffaele et al., 2009; Malinovsky et al., 2014). Assim, FAs são os principais precursores para a biossíntese de cutina e cera, que ocorrem principalmente em cloroplastos vegetais., Os Af resultantes são exportados para o retículo endoplasmático (ER), através da membrana plasmática e Parede Celular das células epidérmicas, e são depositados na membrana cuticular nascente, onde formam cortes, ceras e suberinas (poliésteres complexos) (Kunst e Samuels, 2009; Yeats e Rose, 2013).nos últimos 20 anos, registaram-se progressos significativos na identificação e caracterização dos genes envolvidos na biossíntese da cutina vegetal e cera (Suh et al., 2005; Lee and Suh, 2013; Fich et al., 2016)., Além disso, fatores envolvidos no transporte de precursores de cutinas e ceras, tais como proteínas de ligação acil-CoA (ACBPs) (Xia et al., 2012; Xue et al., 2014), lipid transfer protein (LTP) (Deeken et al., 2016), e ABC transporter (Luo et al., 2007), foram caracterizados. Além disso, vários fatores de transcrição, como AP2, MYB94, MYB96, MYB16, e dedo de zinco NFXL2 foram encontrados para desempenhar papéis críticos na regulação da biossíntese da cutina vegetal e cera (Fich et al., 2016; Lee et al., 2016)., Há cada vez mais evidências de que a cutícula não é apenas uma camada física que protege as plantas; ela parece estar ativamente envolvida na defesa das plantas e vias de sinalização para o crescimento e desenvolvimento (Raffaele et al., 2009; Javelle et al., 2011; Aragón et al., 2017). Vários estudos mostraram que a cutícula da planta poderia funcionar na primeira camada de imunidade despoletada pelo padrão de defesa da planta e na segunda camada mais forte de imunidade despoletada pelo efeito de defesa da planta (ETI). Assim, serve para ativar a resistência adquirida local e sistémica contra diversos patógenos (Figura 1) (Heredia, 2003; Xia et al.,, 2009; Aragón et al., 2017). A planta de genes e fatores de transcrição envolvidos na cutícula biossíntese/sinalização e associados planta-microrganismo interações foram bem resumidos em vários informativo comentários (Chassot e Métraux, 2005; Muller e Riederer, 2005; Reina-Pinto e Yephremov, 2009; Lee e Sinhô, 2013; Serrano et al., 2014; Fich et al., 2016; Aragón et al., 2017). Estudos da comunidade microbiana vegetal associada à superfície cuticular foram bem revistos por Aragón et al. (2017)., Estes estudos, embora relevantes, não serão mais discutidos nesta mini-revisão por causa da limitação de espaço.

esta revisão resume brevemente os papéis multifuncionais da cutícula vegetal durante interações planta-patógeno, com ênfase em: mudanças dinâmicas da cutícula vegetal e sua regulação; o crosstalk da cutícula com parede celular e diversas vias de sinalização hormonal para a defesa vegetal; e os principais mecanismos bioquímicos, moleculares e celulares que estão subjacentes aos papéis da cutícula durante interações planta-patógeno., A presente revisão também discute os desafios e as direções futuras para estudos relacionados, tais como novos genes e mecanismos envolvidos no transporte, regulação, montagem e deposição de precursores/sinais de cutículas, e as interações plant-patógeno associadas.a cutícula e a Parede Celular das plantas formam um Continuum na superfície da planta, que é dinâmico e sensível a diversas infecções patogénicas entre a cutícula e a membrana celular da epiderme e forma um continuum com cutícula (Figura 1; Nawrath et al., 2013)., Os principais componentes da parede celular são celulose, hemicelulose, pectina e lignina. Estão envolvidos na manutenção da forma celular, no apoio ao crescimento e desenvolvimento das plantas e na proteção das plantas contra o estresse biótico e abiótico (Keegstra, 2010). Estes polissacáridos da parede celular podem ser incorporados na matriz de cutina e assim determinar a elasticidade e rigidez de toda a cutícula (Lopez-Casado et al., 2007). A cera Cuticular forma uma barreira à transpiração (Schonherr, 1976) e a matriz de cutin contribui para a sua força mecânica (Kolattukudy, 1980).,a cutícula e a parede celular desempenham papéis sobrepostos nas plantas; além de suas funções como barreiras físicas e químicas passivas, elas funcionam ativamente juntas na regulação do movimento de moléculas para dentro e para fora das plantas. Eles também desempenham papéis críticos na retransmissão de sinais dentro e fora das células vegetais em resposta a diversos estímulos para o crescimento e desenvolvimento das plantas, e resistência ao estresse biótico e abiótico (Segado et al., 2016)., Tanto a parede celular quanto a cutícula podem expandir e mudar suas composições durante várias fases de crescimento e desenvolvimento da planta e em resposta a condições ambientais variáveis (Bargel e Neinhuis, 2005; Underwood, 2012). Durante as interações planta-patógeno, a composição da cutícula vegetal e da parede celular pode ser afetada por patógenos, e inversamente, os patógenos podem sentir componentes de superfície vegetal e ajustar sua patogênese e virulência de acordo., Em uma fase inicial de infecção, fungos fitopatogênicos podem sintetizar enzimas hidrolíticas, tais como cutinases, esterases e lipases, que visam diretamente cutícula e, assim, desempenham papéis-chave na infecção patogênica (Berto et al., 1999; Garrido et al., 2012; Leroch et al., 2013; Wang et al., 2017). Por exemplo, o agente patogénico Fusarium oxysporum secretes cutinases, que degradam a cutícula das folhas vegetais e produzem níveis basais de monómeros de cutina para facilitar a adesão patogénica aos hospedeiros numa fase inicial de infecção., Uma vez que um patógeno sente os monômeros resultantes da cutícula da planta, ele pode expandir sua atividade de cutinase para facilitar a penetração e infecção na camada de cutícula da planta (Woloshuk e Kolattukudy, 1986). Componentes de cutina de folhas vegetais, como o hexadecanodiol no arroz, podem induzir a germinação e diferenciação de appressorium do fungo da explosão do arroz Magnaporthe grisea (Gilbert et al., 1996) and spore germination and cutinase expression of the gray mold fungo Botrytis cinerea (Leroch et al., 2013)., Além disso, os Componentes da cera de folha vegetal, tais como aldeídos C26 de cadeia muito longa do milho (Zea mays), podem afectar a germinação dos esporos e a penetração da cevada em pó mildew Blumeria graminis F. sp. Hordei (Hansjakob et al., 2011). Curiosamente, muitos fungos, como Botrytis (Castillo et al., 2017), Phytophthora (Blackman et al. Em 2014), e M. oryzaea (Quoc e Chau, 2017), também secretam parede celular degradantes de enzimas (CAZymes) antes mesmo de penetrar a cutícula, que é mais uma prova de que a cutícula/parede celular continuum é um fator significativo na planta-patógeno medicamentosas.,inversamente, as plantas podem reconhecer a ligação dos agentes patogénicos e reagir muito rapidamente aos elicitores (vampiros/vampiros) que produzem. As represas, os produtos de degradação de plantas gerados por infeção patogênica, como os monômeros de cutina e oligossacáridos de parede celular, também servem como sinais que ativam as defesas vegetais contra o patógeno (Underwood, 2012; Malinovsky et al., 2014)., Por exemplo, a cutícula de tomate foi remodelada em resposta à infecção dos agentes patogénicos fúngicos Colletotrichum gloeosporioides, e a biossíntese da cutícula de fruta foi mais regulada durante a formação de appressorium mesmo antes da penetração (Alcan et al., 2015). Outro exemplo, durante a infecção de pétalas de citrinos por Colletotrichum acutatum, as células epidérmicas responderam ao patógeno aumentando a síntese lipídica e deposição de compostos associados à cutícula e à parede celular, e isso eventualmente alterou as estruturas da cutícula (Marques et al., 2016)., Em Arabidopsis, em vez de cutícula, as bolas da coroa causadas pela infecção da bactéria Agrobacterium tumefaciens são cobertas com suberina, que precisa de transporte de FAs para apoiar a sua síntese (Deeken et al., 2016).

para além da cera e da cutina, a cutícula vegetal contém terpenóides e flavonóides que têm actividades antifúngicas (Arif et al., 2009; Zacchino et al., 2017). A biossíntese destes fenilpropanóides e flavonóides segue a formação de lípidos cuticulares (Mintz-Oron et al., 2008), que poderia ser induzida em resposta a sinais ambientais, tais como C., infecção por gloeosporioides, activando assim as defesas vegetais nos frutos de tomate e manga (Alkan et al., 2015; Sivankalyani et al., 2016).

permeabilidade Da Cutícula, composição e múltiplos papéis durante a interação planta-patógeno

a cutícula da planta também desempenha papéis críticos na defesa das plantas contra diversos agentes patogénicos bacterianos e fúngicos, a maioria dos quais utilizam aberturas naturais, tais como estomas e hidátodos nas folhas, ou lenticels nos frutos para entrar nas plantas sem penetrar diretamente na camada cutícula (Buxdorf et al., 2014)., A integridade e permeabilidade da cutícula são muito importantes para sua função durante interações planta-patógeno; por exemplo, uma cutícula vegetal mais permeável pode levar a resistência ou suscetibilidade a infecções patógenas.estudos anteriores sobre mutantes de Arabidopsis e tomate com defeito de cutícula, tais como CYP86A2 (oxidases dependentes do citocromo P450) (Xiao et al., 2004), LACS2 (long-chain acil-CoA synthetases) (Bessire et al., 2007; Tang et al., 2007), PER57 (peroxidase 57 sobre-expressa) (Survila et al., 2016), guarda-costas (alpha-beta hydrolase) (Céline et al.,, 2007), and DEWAX transcription factor (Suh and Go, 2014; Ju et al., 2017) mostraram aumentar a permeabilidade da cutícula das folhas. Curiosamente, estes mutantes melhoraram a resistência das plantas contra o patogénico fúngico B. cinerea, mas aumentaram a susceptibilidade ao patogénico bacteriano Pseudomonas syringae. No entanto, nem todos os mutantes relacionados com cutículas mostraram resistência a B., cinerea: por exemplo, o nosso estudo anterior descobriu que a Arabidopsis ACP4 (acyl proteína transportadora 4) e GL1 (GLABROUS 1) mutantes tinham a diminuição dos níveis de cutina e ceras componentes, maior a permeabilidade da cutícula da folha, e um aumento da susceptibilidade para ambos os patógenos (Xia et al., 2009, 2010). Noutros estudos, mutações nos factores de transcrição do brilho resultaram em cutícula alterada, o que levou à susceptibilidade vegetal à infecção por B. cinerea (Sela et al., 2013; Buxdorf et al., 2014).vários mecanismos podem explicar o aumento da resistência das folhas a B., cinerea e outros agentes patogénicos quando a permeabilidade da cutícula aumenta:

(1) libertação de certos monómeros de cutina ou componentes de cera que funcionam como sinais para activar a resistência às doenças vegetais (Aragão e outros agentes patogénicos)., 2017);

(2) Libertação de difusatos antifúngicos e ROS (espécies reactivas de oxigénio) que inibem o crescimento e a infecção do patogéneo na superfície (L’Haridon et al., 2011; Sela et al., 2013);

(3) accelerated uptake of elicitors (e.g.,, MAMPs/PAMPs/DAMPs) ativado por patógenos para a ITP; e liberação de efetores avirulentos para a ITE, que poderiam estimular uma resposta mais forte e mais eficiente de defesa vegetal (Chassot et al., 2008; Aragón et al., 2017).a figura 1A apresenta um modelo hipotético do mecanismo de resistência às doenças das plantas relacionado., syringae e outros patógenos:

(1) Reduções nos níveis de certas cutina monômeros e/ou de cera componentes que ajudam a reprimir a expressão e função de processadores de efeitos patogênicos envolvidos na virulência e patogenicidade, como Arabidopsis CYP86A2. Este gene está envolvido na formação de C16 e C18 hydroxy FAs, que têm impactos inibitórios diretos contra certos patógenos, tais como P. syringae (Xiao et al., 2017).,

(2) Reduções nos níveis de cutina monômeros e/ou de cera de componentes que podem servir como sinais ou receptores para ativar defesa da planta local e/ou sistêmica, tanto para PTI e da ETI; em nosso estudo anterior em Arabidopsis ACP4, o mutante ACP4 plantas reduziu significativamente tanto cutina e ceras biossíntese, causando defeitos no local e sistêmica da planta de imunidade contra a P. syringae (Xia et al., 2009, 2010).,

(3) resposta de defesa da Planta de imparidade pela interrupção da planta receptores percepção do patógeno gerado elicitors (MAMPs/PAMPs) ou mais estimulados a ativação de determinados genes acelerado ROS de produção para causar a suscetibilidade da planta e a morte (Sela et al., 2013).

(4) aumento da disponibilidade de água e compostos de nutrientes dissolvidos na superfície da folha, o que aumentaria a aptidão do agente patogénico, o crescimento e a patogenicidade (Schreiber et al.,, 2005);

(5) Alterações à estômatos e a cutícula-parede celular continuum que fornecem uma maneira mais fácil para patógenos para introduzir plantas e a liberação de sua virulência processadores de efeitos dentro.o modelo hipotético para explicar o mecanismo relacionado na susceptibilidade à doença vegetal é ilustrado na figura 1B. o cinerea é um agente patogénico necrotrófico e o P. syringae é um agente patogénico hemi-biotrófico, a cutícula pode ter modos de acção específicos para interagir com agentes patogénicos com diferentes estilos de vida., As funções específicas de vários componentes da cutícula da folha vegetal podem desempenhar diversos papéis nas interações planta-patógeno; no entanto, isso requer uma investigação mais aprofundada.o papel da cutícula frutífera na protecção pós-colheita contra os agentes patogénicos foi amplamente estudado. Descobertas recentes sugerem que a composição da cutícula, ao invés de sua mera espessura, determina a resposta dos frutos aos patógenos pós-colheita. Por exemplo, durante a maturação da fruta, a susceptibilidade da fruta ao tomate à infecção necrotrófica por agentes patogénicos fúngicos aumentou (Segado et al.,, 2016), enquanto que as bagas de uva adquiriram resistência ao agente patogénico biotrófico do míldio em pó (necator da Uncinula) à medida que cresciam e se desenvolveram (Fich et al., 2016). Assim, os múltiplos papéis da cutícula vegetal durante as interações planta-patógeno podem ser afetados pela espessura da cutícula, permeabilidade ou componentes cuticulares específicos em diferentes tecidos; eles também variam com diferentes estágios de crescimento e condições ambientais.,as hormonas estão envolvidas na formação da cutícula e na sinalização relacionada durante as interacções entre o agente patogénico vegetal e as hormonas regulam o crescimento das plantas ao longo de todo o ciclo de vida, controlando a divisão celular, o alongamento e a diferenciação, a formação e o desenvolvimento dos tecidos e as respostas às tensões bióticas e abióticas (Robert-Seilaniantz et al., 2007). Foram realizados progressos significativos no estudo da biossíntese e da regulação de várias hormonas, tais como o ácido salicílico (SA), o ácido jasmónico (JA), as giberelinas (GA), o ácido abcísico (ABA) e o etileno (ET) (Kimbara et al.,, 2013; De Smet et al., 2015). E os papéis críticos desses hormônios nas interações entre plantas e micróbios estavam bem documentados (Denancé et al., 2013). O estudo do crosstalk entre hormônios vegetais e cutícula para sua biossíntese e funções relacionadas durante as condições de estresse, como a infecção patógena, também foi investigado, mas permanecem grandes lacunas em nosso conhecimento.vários hormônios vegetais mostraram influenciar a formação da cutícula vegetal e a tolerância ao estresse., Por exemplo, descobrimos que as plantas Arabidopsis tratadas com GA4 e GA7 mostraram níveis aumentados de cera cuticular e componentes de cutina, que foram associados com a melhoria da imunidade vegetal contra a infecção bacteriana patógena P. syringae (Xia et al., 2010).

ácido Jasmonico, um hormônio importante na defesa vegetal, é derivado do 18:3 FA (ácido linolênico). O tratamento metil-JA das mudas de Vicia sativa foi encontrado para induzir a produção de ω-hidroxi FAs, que estavam envolvidos na formação de cutina (Pinot et al., 1998)., Além disso, O ω-hidroxi FAs pode induzir a resistência das plantas contra a infecção pelo patogéneo, funcionando como moléculas de sinalização endógenas; por exemplo, podem desempenhar papéis críticos na resistência da cevada contra o patogénico Erisiphe graminis F. sp. Hordei (Schweizer et al., 1996).

O gene Arabidopsis RST1 (RESURRECTION1) funciona de forma importante tanto na biossíntese da cutina e cera, e na defesa vegetal. As plantas mutantes rst1 mostraram resistência a B. cinerea que estava associada com os níveis de expressão acima regulados de JA e o gene de defesa relacionado PDF1.2., Contudo, as plantas mutantes rst1 apresentaram níveis de proteínas SA e PR abaixo dos níveis regulados, tais como o PR-1, que estavam correlacionados com a sua susceptibilidade ao agente patogénico biotrófico, Erisiphe cichoracearum (Mang et al., 2009).

Arabidopsis transcription factor SHN1 mutant plants exhibited leaf cuticle compositions and enhanced susceptibility to B. cinerea. The shn1-1D plants accumulated high levels of H2O2, and up-regulated a large set of genes associated with senescence, oxidative stress, and defense (Sela et al., 2013)., Por exemplo, os genes associados à ROS PROPEP3 (precursor do peptídeo 3 elicitor) e AOX1d (gene oxidase alternativo) foram altamente regulados. PROPEP3 tinha sido previsto para ser o amplificador para vias ET/JA e SA, e expressão de AOX1d também foi associada com essas vias (Lin e Wu, 2004; Huffaker e Ryan, 2007). A susceptibilidade B. cinerea das plantas shn1-1D poderia ser excessivamente acelerada a geração de ROSs, como H2O2, levando a reações de defesa descontroladas, excessivas, e conseqüente sensibilidade vegetal e morte (Sela et al., 2013).,além disso, a aplicação exógena da ABA pode estimular especificamente a formação de componentes cuticulares nas plantas Arabidopsis, Lepidium sativum e tomateiro, o que ajudou a diminuir a perda de água das plantas durante a seca (Kosma et al., 2009; Macková et al., 2013; Cui et al., 2016; Martin et al., 2017). Além disso, um mutante com deficiência em sitiens (sit) de tomate com níveis reduzidos de ABA e maior permeabilidade às cutículas demonstrou uma resistência aumentada contra B. cinerea., A resistência relacionada com a doença foi associada não só a alterações na permeabilidade das cutículas, mas também a alterações na composição das paredes celulares. Por exemplo, após a infecção pelo patogéneo, os níveis de esterificação da pectina-metilo e de vários oligossacáridos eram mais elevados em plantas mutantes do que em plantas de tipo selvagem (Curvers et al., 2010).os mecanismos de crosstalk entre as vias da cutícula e da hormona vegetal durante as interacções patógenas com os frutos só começaram a ser elucidados recentemente., Com efeito, tanto a ABA como a sinalização ET desempenham um papel importante na regulação da biossíntese e função da cutícula frutífera (Alkan e Fortes, 2015; Leida et al., 2016; Wang et al., 2017).

as possibilidades de que outras vias hormonais crosstalk com biossíntese cuticular e vias sinalizadoras são em grande parte desconhecidas. As interacções entre as hormonas vegetais e a cutícula vegetal relacionadas com a resposta a infecções patogénicas devem ser investigadas mais aprofundadamente.,ao todo, resumimos brevemente os recentes avanços no nosso conhecimento de múltiplos papéis da cutícula vegetal durante as interações com diversos patógenos. Pesquisas em campos relacionados têm produzido evidências de que a cutícula vegetal desempenha papéis críticos durante interações planta-patógeno. No entanto, ainda estamos longe de entender plenamente os mecanismos relevantes e de desenvolver estratégias eficientes para utilizar a cutícula da planta para a defesa da planta., Além disso, os estudos de vários aspectos, irá reforçar o nosso entendimento dos mecanismos relacionados, que incluem as funções específicas dos diversos componentes de cutina e ceras, como fatores importantes e moléculas de sinalização que promover a resistência ou suscetibilidade; transmissão e percepção dos fatores e sinais; e a interferência entre cutícula-parede celular e hormonal vias de sinalização, etc., Estudos de todos estes aspectos irão fornecer-nos conhecimentos mais pormenorizados para desenvolver abordagens biotecnológicas e de criação para melhorar a função das cutículas e, assim, melhorar a fitossanidade e o rendimento.

contribuições dos autores

YX e CZ organizaram e escreveram todo o manuscrito, ZZ e YG contribuíram para parte da escrita e melhoria.,este projeto foi apoiado pelo projeto Hatch da USDA-NIFA-OHO01392; o Ohio Agricultural Research and Development Center (OARDC) seed grant OHOA1591& OHOA1615; startup fund from OARDC and Ohio State University to YX.

Declaração de conflito de interesses

os autores declaram que a investigação foi realizada na ausência de quaisquer relações comerciais ou financeiras que possam ser interpretadas como um potencial conflito de interesses.

agradecimentos

gostaríamos de agradecer a Yonatan Ziv por sua ajuda com as figuras.,