Kirill N. Demchenko

1 Institutul Botanic Komarov, Academia Rusă de Științe, St. Petersburg, Rusia

Olga V. Voitsekhovskaya

1 Institutul Botanic Komarov, Academia Rusă de Științe, St. Petersburg, Rusia

Katharina Pawlowski

2 Departamentul de ecologie, mediu și științe vegetale, Universitatea Stockholm, Stockholm, Suedia

Abstract

PLASMODESMATA PLANTELOR SUPERIOR CONȚINE DESMOTUBULE ȘI SUNT ASOCIAȚE DE obicei cu CALRETICULINA

PD se presupune că au evoluat în alge multicelulare de mai multe ori independent, inclusiv în Characeae, strămoșii plantelor superioare (Raven, 2005). Interesant este că nu toate algele multicelulare au PD (Raven, 2005). Structura PD algal diferă de cea a plantelor superioare, cel mai dramatic prin absența unui desmotubul în PD algal (Cook și colab., 1997; Cook și Graham, 1999). Cu toate acestea, există rapoarte despre desmotubuli în PD de Chlorophyceae și Characeae (Uronema, Stigeoclonium, Chara; Marchant, 1976; Brecknock și colab., 2011).

Calreticulina (CRT), o proteină de legare Ca 2+ foarte conservată găsită în toate eucariotele multicelulare examinate până acum, este localizată predominant în ER (Michalak și colab., 1999). CRT a fost găsit și în Golgi (Borisjuk și colab., 1998) și la animale și în citoplasma anumitor celule (Dedhar, 1994) și la suprafața celulei (Johnson și colab., 2001). S-a demonstrat că CRT localizează la PD în vârfurile rădăcinii de porumb (Baluška și colab., 1999), precum și la PD în culturi celulare în suspensie de tutun și arabidopsis (Laporte și colab., 2003; Bayer și colab., 2004), sugerând un rol în transportul de la celulă la celulă. Această sugestie a fost susținută de constatarea că CRT interacționează cu o proteină de mișcare virală (Chen și colab., 2005). Cu toate acestea, radacina PD nu acumulează CRT (Baluška și colab., 1999, 2000). Celulele postmitotice ale epidermei radiculare, care, la fel ca celulele capacei radiculare, sunt izolate simpasmatic, nu acumulează CRT (Baluška și colab., 1999, 2000, 2001), ceea ce duce la sugestia că CRT ar putea reprezenta un marker pentru rezistența chiuvetei. Cu toate acestea, CRT se formează și ca răspuns la diferite tensiuni, iar observațiile detaliate au condus la ipoteza că reprezintă un mediator universal al închiderii plasmodezale rapide (Bilska și Sowiński, 2010). Nu este foarte clar dacă CRT este localizat în ER - adică aproape de începutul desmotubulului - sau în peretele celular (Baluška și colab., 1999; Bayer și colab., 2004); totuși, o comparație a imunolocalizării CRT și calozei favorizează o localizare în ER (Bayer și colab., 2004).

CALLOSE JOACĂ UN ROL ÎN REGULAREA SELULUI PD

Transportul prin PD poate fi reglat prin depunerea de caloză, un β-1,3-glucan, între membrana plasmatică și peretele din regiunea gâtului unde este restrâns inelul citoplasmatic (Bucher și colab., 2001; Simpson și colab. ., 2009). Producția de caloză este catalizată de sintetizele de caloză în peretele celular și este indusă de stresuri biotice, precum și abiotice (Scheible și Pauly, 2004; Benitez-Alfonso și Jackson, 2009). Identificarea mutanților afectați în homeostazia celulelor redox, precum și în transportul intercelular și observarea modificărilor permeabilității simplastice a țesuturilor ca răspuns la tratamentul cu oxidanți, au fost interpretate pentru a sugera că transportul intercelular este reglementat ca răspuns la producția de reactivi. specii de oxigen (ROS) prin formarea calozei (Benitez-Alfonso și Jackson, 2009; Benitez-Alfonso și colab., 2011).

CELULE INFECTATE ÎN NODULURI RĂDĂCINALE ALE C. glauca REDUC LEGĂTURILE PD LA CELULE ADJACENTE ÎN CURS DE DEZVOLTARE, CARE ESTE ASOCIAȚĂ CU PIERDEREA ASOCIAȚIEI CRT

Nodulii radiculari care fixează azotul, în special celulele lor infectate, care adăpostesc microsimbionții bacterieni care fixează azotul, care se bazează pe plantă pentru furnizarea de carbon, reprezintă chiuvete de carbon și surse de azot. Analiza mecanismelor partiționării fotosintatului floarei în nodulii actinorizali ai arborelui australian C. glauca a relevat că aici, conexiunile plasmodesmale între celulele infectate și într-un grad mai mic între celulele infectate și cele neinfectate, au fost reduse în timpul diferențierii celulelor infectate (Schubert et. al., 2013). Aceasta a vizat numărul, precum și diametrul PD. Numărul de PD care conectează celulele corticale infectate a fost redus mai puternic decât numărul care conectează infectate la celulele corticale adiacente neinfectate (cu 84 vs. 60%, respectiv), dar reducerea diametrului a fost similară în ambele cazuri (cu 55 vs. 49%, respectiv). Mai mult, PD care conectează celule corticale infectate mature nu a acumulat CRT (Schubert și colab., 2013; Figurile 1A, B ). Marcarea CRT a fost observată doar în cazuri rare pentru PD care conectează celulele infectate și adiacente neinfectate, dar a fost obișnuită pentru PD care conectează celulele neinfectate (Schubert și colab., 2013; Figurile 1C, D ).

plasmodesmata

Imunolocalizarea calreticulinei (CRT) în secțiuni longitudinale ale nodulilor C. glauca încorporate în ceara lui Steedman (pentru metodă, vezi Zdyb și colab., 2011; pentru anticorp, vezi Baluška și colab., 1999). Micrografii cu fluorescență (A, C) și micrografii cu contrast diferențial de interferență (B, D) sunt afișate. Pereții lignificați ai celulelor infectate fluoresc în galben sub lumină albastră. (A, B) Nu există etichete CRT în pereți (vezi săgeata) dintre celulele infectate (ic). (C, D) CRT este etichetat în pereți care leagă celulele neinfectate (uic) într-un model punctat. Barele de dimensiuni indică 20 μm.

Sub ipoteza că CRT este localizat în ER la deschiderea PD, absența sa ar putea implica absența desmotubulilor. Membranele desmotubulilor sunt cele mai apropiate bistraturi lipidice juxtapuse cunoscute în natură, cu diametrul de 10-15 nm la cele mai restrânse (Burch-Smith și Zambryski, 2012). Astfel, în PD cu un diametru de 22 sau respectiv 26 nm, absența desmotubulilor nu ar trebui să fie surprinzătoare, în special având în vedere faptul că spițele proteice ar trebui să iasă din desmotubul și particulele globulare din membrana plasmatică din manșonul citoplasmatic. (Burch-Smith și Zambryski, 2012). Pierderea desmotubulilor a fost observată și în celulele corticale radiculare parazitate cu nematode din trifoi (Trifolium incarnatum) și roșii (Solanum esculentum), dar aici acest fenomen a fost asociat cu o creștere a diametrului PD (Hussey și colab., 1992).

PD DE CELULE MATURE INFECTATE DE C. glauca NODULI NU AFIȘĂ ACUMULARE CU CALOZĂ

CELULE MATURI DE C. glauca INFECTATE SUNT ISOLATE APOPLASTIC

Interesant este faptul că celulele infectate cu C. glauca ar trebui să depindă de aprovizionarea simplasmică cu fotosinteți, deoarece căile de transport apoplazice sunt blocate de impregnarea pereților celulelor infectate cu un tip de lignină foarte hidrofob (Berg și McDowell, 1988; Schubert și colab., 2013) . S-a sugerat că proprietățile peretelui celular care înconjoară PD pot limita gradul în care microcanalele se pot dilata (Kragler și colab., 1998). Prin urmare, această lignificare, care începe după infecția cu microsimbiont, este cea mai probabilă explicație pentru reducerea observată a diametrului PD în celulele infectate cu C. glauca. În timp ce se cunosc multe cazuri în care lignificarea sau suberizarea pereților celulari nu afectează PD care traversează acești pereți celulari, în astfel de cazuri PD sunt organizate în câmpuri primare de groapă, adică zone cu grosime redusă a peretelui primar și fără depunere secundară a peretelui celular. (Robinson-Beers și Evert, 1991) și cu, se pare, o compoziție distinctivă a peretelui celular (Orfila și Knox, 2000), în timp ce în celulele infectate ale nodulilor C. glauca, pereții primari sunt lignificați, adică PD traversează părți lignificate ale peretelui.

CARE SUNT EFECTELE SCHIMBĂRILOR ÎN PD DE CELULE INFECTATE ÎN C. glauca NODULI PE TRANSPORTUL SIMPLASTIC?

Diametrele PD care conectează celulele infectate cu celulele infectate sau neinfectate adiacente sunt semnificativ reduse comparativ cu cele care conectează celulele neinfectate (Schubert și colab., 2013). Lipsa calozei și a calozei sintază ar însemna absența reglementării negative a SEL a acestor PD prin depunerea calozei. În mod similar, nu s-a observat nicio depunere de caloză de-a lungul pereților celulari între celulele uriașe în locurile de hrănire a nematodelor din tutun, dar depunerea de caloză a fost găsită frecvent de-a lungul pereților celulari către celulele vecine (Hofmann și colab., 2010).

Lipsa completă a etichetării CRT la PD care conectează celulele infectate și raritatea etichetării CRT la PD care conectează celulele infectate și adiacente neinfectate, nu poate fi legată de ipoteza că CRT reprezintă un marker pentru puterea chiuvetei (Baluška și colab., 2001) din moment ce aceste celule, care exprimă zaharoza sintază la niveluri ridicate, sunt chiuvete puternice (Schubert și colab., 2013). Mai mult, celulele infectate sunt microaerobe (Berg și McDowell, 1987; Schubert și colab., 2013) și, de obicei, epuizarea ATP duce la deschiderea PD (Cleland și colab., 1994). Cu toate acestea, pierderea etichetării CRT este în concordanță cu ipoteza că CRT este un mediator al închiderii plasmodezale rapide. În primul rând, mecanismul de închidere PD care implică CRT ar putea să nu funcționeze în PD care traversează pereții celulari primari lignificați. În al doilea rând, deoarece celulele infectate sunt izolate apoplastic, izolarea simplastică suplimentară ar însemna moartea celulei și, prin urmare, nu ar trebui să fie prea ușor de instalat.

PD DE CELULE INFECTATE ALE C. Glauca NODULI - PE MODUL DE A COMPLETA ÎNCHIDEREA SAU A CANALELOR DESCHISE PENTRU TRANSPORTUL SIMPLASTIC OPTIMIZAT?

Pentru a testa care dintre aceste ipoteze este corectă, ar putea fi utilizată o construcție care exprimă proteina fluorescentă verde (GFP) sub controlul unui promotor specific celulelor corticale nodulare neinfectate. Până în prezent, nu a fost caracterizat niciun promotor care să conducă expresia specifică celulelor corticale radiculare neinfectate ale nodulilor C. glauca; cu toate acestea, Perrine-Walker și colab. (2011) au descris un purtător de eux de auxină (CgPIN1) care era prezent în mod specific în celulele corticale nodulare neinfectate, nu în cele infectate. Prin urmare, promotorul CgPIN1 ar putea fi utilizat pentru a conduce expresia GFP în celulele corticale nodulare neinfectate. Cu o masă moleculară de 27 kDa și o rază Stokes de 1,8 nm, GFP poate călători prin PD conectând celulele corticale radiculare (Stadler și colab., 2005) și ar trebui, de asemenea, să poată trece prin PD conectându-se infectate cu celule corticale adiacente neinfectate. de C. glauca. Un construct de fuziune β-glucuronidază (GUS) cu același promotor ar putea servi drept control negativ, deoarece cu o masă moleculară de 68 kDa și o rază Stokes de 3,3 nm (Fisher și Cash-Clark, 2000), GUS nu poate călători prin majoritatea PD (Fukuda și colab., 2005). Dacă analiza citologică arată prezența GFP în celulele infectate ale nodulilor transgenici, constructele mai mari ale GFP ar putea fi testate pentru o evaluare precisă a SEL a PD a celulelor infectate.

Declarație privind conflictul de interese

Autorii declară că cercetarea a fost efectuată în absența oricărei relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretată ca un potențial conflict de interese.

Mulțumiri

Această lucrare a fost susținută de un grant acordat de Consiliul de cercetare suedez VR către Katharina Pawlowski și granturi de la Fundația Rusă pentru Cercetare de Bază (11-04-02022-a, 12-04-32002, 13-04-40344, 13-04- 02000) și programul Focus al prezidiului Academiei de Științe din Rusia, către Kirill N. Demchenko și Olga V. Voitsekhovskaja.