Индуцированный бактериальным элиситором flg22 эндоцитоз в иммунной реакции клеток корней Arabidopsis thaliana

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Разнообразные молекулы патогенного происхождения, такие как бактериальный флагеллин (flg22), распознаются растениями через рецепторы плазматической мембраны и индуцируют как местные, так и системные иммунные реакции. При этом везикулярный транспорт является ключевым в обеспечении быстрого и точного реагирования. При взаимодействии с патогенами, локализованными на поверхности клеток, иммунные рецепторы подвергаются эндоцитозу по общему эндосомальному пути. Какой из везикулярных путей патогены используют для проникновения в ткани и какое значение имеет в этом процессе flot1 остается не до конца изученным. Данное исследование посвящено влиянию биотических факторов стресса на иммунную реакцию растений Arabidopsis thaliana дикого типа и его нокаут-мутанта Atflot1ko. Изучены процессы эндоцитоза под действием разных агентов: 1-нафталинлуксусной кислоты и метил-ß-циклодекстрина. С помощью трансмиссионной электронной микроскопии выявлены различия в ответных реакциях клеток на стресс, индуцированный flg22. Показано, что биотический стресс у нокаут-мутантов активирует секреторный путь (экзоцитоз), необходимый для защиты клеток от действиях патогена на поверхности клетки, тогда как у растений дикого типа активируется эндоцитоз, направленный на перемещение патогена в вакуоль. Полученные данные показали, что обработка мутантов Atflot1ko бактериальным пептидом сохраняет активность работы комплекса Гольджи и способность этой структуры формировать ранние эндосомы, принимающие непосредственное участие в транспорте защитных белков к месту проникновения патогена.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Л. А. Халилова

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: lhalilova@mail.ru
Россия, Москва

А. С. Воронков

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук

Email: lhalilova@mail.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Mahalingam R. Consideration of сombined stress: a crucial paradigm for improving multiple stress tolerance in plants // Combined Stresses in Plants / Ed. R. Mahalingam. Springer Intern. Publ. Switzerland. 2015. P. 1. https://doi.org/10.1007/978-3-319-07899-1_1
  2. Jones J.D., Dangl J.L. The plant immune system // Nature. 2006. V. 444. P. 323.
  3. Inada N., Ueda T. Membrane trafficking pathways and their roles in plant-microbe interactions // Plant Cell Physiol. 2014. V. 55. P. 672. https://doi.org/10.1093/pcp/pcu046
  4. Ortiz-Morea F.A., Savatin D.V., Dejonghe W., Kumar R., Luo Y., Adamowski M., Van den Begin J., Dressano K., Pereira de Oliveira G., Zhao X., Lu Q., Madder A., Friml J., Scherer de Moura D., Russinova E. Danger-associated peptide signaling in Arabidopsis requires clathrin // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2016. V. 113. P. 11028. https://doi.org/10.1073/pnas.1605588113
  5. Geldner N., Robatzek S. Plant receptors go endosomal: A moving view on signal transduction // Plant Physiol. 2008. V. 147. P. 1565. https://doi.org/10.1104/pp.108.120287
  6. Freidit Frey N., Robatzek S. Trafficking vesicles: pro or contra pathogens? // Curr. Opin. Plant Biol. 2009. V. 12. P. 437. https://doi.org/10.1016/j.pbi.2009.06.002
  7. Sorkin A., von Zastrow M. Endocytosis and signalling: Intertwining molecular networks // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2009. V. 10. P. 609. https://doi.org/10.1038/nrm2748
  8. Li R., Liu P., Wan Y., Chen T., Wang Q., Mettbach U., Baluska F., Samaj J, Fang X., Lucas W.J., Lin J. A membrane microdomain-associated protein, Arabidopsis Flot1, is involved in a clathrin-independent endocytic pathway and is required for seedling development // Plant Cell. 2012. V. 24. P. 2105. https://doi.org/10.1105/tpc.112.095695
  9. Khalilova L.A., Sergienko O.V., Orlova Y.V., Myasoedov N.A., Karpichev I.V., Balnokin Y.V. Arabidopsis thaliana mutant with t-DNA insertion in the Flot1 (At5g25250) gene promotor possesses increased resistance to NaCl // Russ. J. Plant Physiol. 2020. V. 67. P. 275. https://doi.org/10.1134/S1021443720020077
  10. Khalilova L.A., Voronkov A.S. The membrane nanodomain Flot1 protein participates in formation of the early endosomes in the root cells of Arabidopsis thaliana // Russ. J. Plant Physiol. 2023. V. 70. P. 74. https://doi.org/10.1134/S1021443723600307
  11. Boller T., Felix G. A renaissance of elicitors: Perception of microbe-associated molecular patterns and danger signals by pattern-recognition receptors // Ann. Rev. Plant Biol. 2009. V. 60. P. 379. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.57.032905.105346
  12. Böhm H., Albert I., Fan L., Reinhard A., Nürnberger T. Immune receptor complexes at the plant cell surface // Curr. Opin. Plant Biol. 2014. V. 20. P. 47. https://doi.org/10.1016/j.pbi.2014.04.007
  13. Dodds P.N., Rathjen J.P. Plant immunity: towards an integrated view of plant-pathogen interactions // Nat. Rev. Genet. 2010. V. 11. P. 539. https://doi.org/10.1038/nrg2812
  14. Monaghan J., Zipfel C. Plant pattern recognition receptor complexes at the plasma membrane // Curr. Opin. Plant Biol. 2012. V. 15. P. 349. https://doi.org/10.1016/j.pbi.2012.05.006
  15. Kunze G., Zipfel C., Robatzek S., Niehaus K., Boller T., Felix G. The N terminus of bacterial elongation factor Tu elicits innate immunity in Arabidopsis plants // Plant Cell. 2004. V. 16. P. 3496. https://doi.org/10.1105/tpc.104.026765
  16. Robatzek S., Chinchilla D., Boller T. Ligand-induced endocytosis of the pattern recognition receptor FLS2 in Arabidopsis // Gene Dev. 2006. V. 20. P. 537.https://doi.org/10.1101/gad.366506
  17. Radutoiu S., Madsen L.H., Madsen E.B., Jurkiewicz A., Fukai E., Quistgaard E.M.H., Albrektsen A.S., James E.K., Thirup S., Stougaard J. LysM domains mediate lipochitin-oligosaccharide recognition and Nfr genes extend the symbiotic host range // EMBO J. 2007. V. 26. P. 3923. https://doi.org/10.1038/sj.emboj.7601826
  18. Gómez-Gómez L., Boller T. FLS2: an LRR receptor-like kinase involved in the perception of the bacterial elicitor flagellin in Arabidopsis // Mol. Cell. 2000. V. 5. P. 1003. https://doi.org/10.1016/s1097-2765(00)80265-8
  19. Chinchilla D., Zipfel C., Robatzek S., Kemmerling B., Nürnberger T., Jones J.D., Felix G., Boller T. A flagellin-induced complex of the receptor FLS2 and BAK1 initiates plant defence // Nature. 2007. V. 448. P. 497. https://doi.org/10.1038/nature05999
  20. Sun Y., Li L., Macho A.P., Han Z., Hu Z., Zipfel C., Zhou J.M., Chai J. Structural basis for flg22-induced activation of the Arabidopsis FLS2-BAK1 immune complex // Sci. 2013. V. 342. P. 624. https://doi.org/10.1126/science.1243825
  21. Zipfel C., Robatzek S., Navarro L., Oakeley E.J., Jones J.D., Felix G., Boller T. Bacterial disease resistance in Arabidopsis through flagellin perception // Nature. 2004. V. 428. P. 764. https://doi.org/10.1038/nature02485
  22. Salomon S., Robatzek S. Induced endocytosis of the receptor kinase FLS2 // Plant Signal. Behav. 2006. V. 1. P. 293. https://doi.org/10.4161/psb.1.6.3594
  23. Russinova E., Borst J.W., Kwaaitaal M., Caño-Delgado A., Yin Y., Chory J., de Vries S.C. Heterodimerization and endocytosis of Arabidopsis brassinosteroid receptors BRI1 and AtSERK3 (BAK1) // Plant Cell. 2004. V. 16. P. 3216. https://doi.org/10.1105/tpc.104.025387
  24. Beck M., Zhou J., Faulkner C., MacLean D., Robatzek S. Spatio-temporal cellular dynamics of the Arabidopsis flagellin receptor reveal activation status-dependent endosomal sorting // Plant Cell. 2012. V. 24. P. 4205. https://doi.org/10.1105/tpc.112.100263
  25. Lu D., Lin W., Gao X., Wu S., Cheng C., Avila J., Heese A., Devarenne T.P., He P., Shan L. Direct ubiquitination of pattern recognition receptor FLS2 attenuates plant innate immunity // Sci. 2011. V. 332. P. 1439. https://doi.org/10.1126/science.1204903
  26. Smith J.M., Salamango D.J., Leslie M.E., Collins C.A., Heese A. Sensitivity to Flg22 is modulated by ligand-induced degradation and de novo synthesis of the endogenous flagellin-receptor FLAGELLIN SENSING2 // Plant Physiol. 2014. V. 164. P. 440. https://doi.org/10.1104/стр.113.229179
  27. Scheuring D., Künzl F., Viotti C., Yan M.S., Jiang L., Schellmann S., Robinson D.G., Pimpl P. Ubiquitin initiates sorting of Golgi and plasma membrane proteins into the vacuolar degradation pathway // BMC Plant Biol. 2012. V. 12. P. 164. https://doi.org/10.1186/1471-2229-12-164
  28. Ben Khaled S., Postma J., Robatzek S. A moving view: subcellular trafficking processes in pattern recognition receptor-triggered plant immunity // Ann. Rev. Phytopathol. 2015. V. 53. P. 379. https://doi.org/10.1146/annurev-phyto-080614-120347
  29. Mishina T.E, Zeier J. Pathogen-associated molecular pattern recognition rather than development of tissue necrosis contributes to bacterial induction of systemic acquired resistance in Arabidopsis // Plant J. 2007. V. 50. P. 500. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2007.03067.x
  30. Khalilova L.A., Lobreva O.V., Nedelyaeva O.I., Karpichev I.V., Balnokin Y.V. Involvement of the membrane nanodomain protein, AtFlot1, in vesicular transport of plasma membrane H+-ATPase in Arabidopsis thaliana under salt stress // Int. J. Mol. Sci. 2023. V. 24. P. 1251. http://doi.org/10.3390/ijms24021251
  31. Narasimhan M., Gallei M., Tan S., Johnson A., Verstraeten I., Li L., Rodriguez L., Han H., Himschoot E., Wang R., Vanneste S., Sánchez-Simarro J., Aniento F., Adamowski M., Friml J. Systematic analysis of specific and nonspecific auxin effects on endocytosis and trafficking // Plant Physiol. 2021. V. 186. P. 1122. https://doi.org/10.1093/plphys/kiab134
  32. Keinath N.F., Kierszniowska S., Lorek J., Bourdais G., Kessler S.A., Shimosato-Asano H., Grossniklaus U., Schulze W.X., Robatzek S., Panstruga R. PAMP (pathogen-associated molecular pattern)-induced changes in plasma membrane compartmentalization reveal novel components of plant immunity // J. Biol. Chem. 2010. V. 285. P. 39140.https://doi.org/10.1074/jbc.M110.160531
  33. Malinsky J., Opekarova M., Grossmann G., Tanner W. Membrane microdomains, rafts, and detergent-resistant membranes in plants and fungi // Annu. Rev. Plant Biol. 2013. V. 64. P. 501. https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-050312-120103
  34. Yu M., Liu H., Dong Z., Xiao J., Su B., Fan L., Komis G., Samaj J., Lin J., Li R. The dynamics and endocytosis of Flot1 protein in response to flg22 in Arabidopsis // J. Plant Physiol. 2017. V. 215. P. 73. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2017.05.010
  35. Cui Y., Li X., Yu M., Li R., Fan L., Zhu Y., Lin J. Sterols regulate endocytic pathways during flg22-induced defense responses in Arabidopsis // Development. 2018. V. 145. dev165688. https://doi.org/10.1242/dev.165688
  36. Yeh Y.H., Chang Y.H., Huang P.Y., Huang J.B., Zimmerli L. Enhanced Arabidopsis pattern-triggered immunity by overexpression of cysteinerich receptor-like kinases // Front. Plant Sci. 2015. V. 6. P. 322. https://doi.org/10.3389/fpls.2015.00322
  37. Koh S., Andre A., Edwards H., Ehrhardt D., Somerville S. Arabidopsis thaliana subcellular responses to compatible Erysiphe cichoracearum infections // Plant J. 2005. V. 44. P. 516. https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2005.02545.x
  38. Assaad F.F., Qiu J.L., Youngs H., Ehrhardt D., Zimmerli L., Kalde M., Wanner G., Peck S.C., Edwards H., Ramonell K. Somerville C.R., Thordal-Christensen H. The PEN1 syntaxin defines a novel cellular compartment upon fungal attack and is required for the timely assembly of papillae // Mol. Biol. Cell. 2004. V. 15. P. 5118.https://doi.org/10.1091/mbc.e04-02-0140
  39. Choi S.W., Tamaki T., Ebine K., Uemura T., Ueda T., Nakano A. RABA members act in distinct steps of subcellular trafficking of the FLAGELLIN SENSING2 receptor // Plant Cell. 2013. V. 25. P. 1174. https://doi.org/10.1105/tpc.112.108803
  40. Mbengue M., Bourdais G., Gervasi F., Beck M., Zhou J., Spallek T., Bartels S., Boller T., Ueda T., Kuhn H., Robatzek S. Clathrin-dependent endocytosis is required for immunity mediated by pattern recognition receptor kinases // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2016. V. 113. P. 11034. https://doi.org/10.1073/pnas.1606004113

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Динамика конститутивного поглощения эндоцитозного маркера FM4-64 клетками корней 5-дневных проростков растений A. thaliana. FM4-64 – 2 мкМ, 1 – дикий тип, 2 – нокаут-мутант AtFlot1ko (SALK_205125C). Значения сравнивали независимо для каждой временной точки (* – Р < 0.05, ** – Р < 0.001) и в каждом варианте на протяжении всего времени эксперимента (разными латинскими буквами обозначены статистически достоверные значения при Р < 0.05).

Скачать (81KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Интенсивность флуоресценции FM4-64 в клетках корней 5-дневных проростков растений A. thaliana дикого типа (ДТ) (а, б, в) и нокаут-мутанта (AtFlot1ko) (г, д, е). I – контроль (а, г), II – 10 мкМ flg22 (б, д), III – 10 мкМ flg22 + + 100 мкМ НУК + 10 мМ MßЦД (в, е). Пунктирной рамкой отмечена область корня, используемая для морфометрического расчета интенсивности сигнала FM. Масштаб – 40 мкм.

Скачать (267KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Интенсивность флуоресценции FM4-64 клетками корней 5-дневных проростков растений A. thaliana. 1 – дикий тип, 2 – нокаут-мутант AtFlot1ko (SALK_205125C). Проростки были предобработаны 10 мкМ flg22 в течение 1 ч. FM4-64 – 2 мкМ, НУК – 100 мкМ, МβЦД – 10 мМ. Разными латинскими буквами обозначены статистически достоверные значения при Р < 0.05.

Скачать (94KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Ультраструктура клеток корней 5-дневных проростков A. thaliana дикого типа и его нокаут-мутанта (AtFlot1ko): а–в – дикий тип, 10 мкМ flg22; г–е – дикий тип, 100 мкМ НУК + 10 мМ MßЦД); ж–и – AtFlot1ko, 10 мкМ flg22; к–м – AtFlot1ko, 100 мкМ НУК + 10 мМ MßЦД. ЭР – эндоплазматический ретикулум; ПМТ – парамуральное тело; В – вакуоль; белая звездочка – транс-Гольджи сеть/ранние эндосомы; черная звездочка – поздняя эндосома/мультивезикулярное тело; белая стрелка – экзосомы. Масштаб – 1 мкм.

Скачать (2MB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024