[Vacaciones de primavera de 2020] Las raíces de las plantas utilizan un mecanismo de "compuerta" del daño celular para regular la respuesta autoinmune
Me gustaría compartir un artículo publicado en "Cell" el 6 de febrero de 2020, "La coincidencia de daños y patrones microbianos controla las respuestas inmunes localizadas en las raíces". Lausana, en Suiza, el Dr. Zhou Feng se destacó especialmente durante sus estudios de maestría y doctorado. Estudió con el académico Wan Jianmin y clonó el gen DWARF53 en arroz que inhibe la señalización de la hormona estrigolactona. También estudió su función para regular el enanismo y el crecimiento múltiple. Relacionado El trabajo fue publicado en "Nature" y ahora he regresado a China a tiempo completo. Creo que lo más destacado de este artículo es, primero, el uso creativo de un nuevo sistema de informes y tecnología de ablación celular. En segundo lugar, aprovechando el poder de la secuenciación unicelular, podemos completar los cambios espacio-temporales en la respuesta inmune natural de las raíces de las plantas a nivel unicelular. En tercer lugar, el mecanismo se amplía a múltiples PRR. 4. Microorganismos beneficiosos (dañinos) en raíces y rizosfera.
El artículo responde a la pregunta: ¿Cómo activa el sistema radicular de Arabidopsis respuestas inmunitarias posteriores a nivel unicelular cuando se enfrenta a daños e infecciones por patógenos?
Para las respuestas inmunes de las plantas, el reconocimiento de patrones moleculares asociados a patógenos (MAMP) es crucial. Cómo este complejo sistema de detección está continuamente expuesto a las comunidades microbianas sigue siendo un misterio en cuanto a su aplicación efectiva en las raíces. Al observar los patrones de expresión y los niveles de respuesta de los receptores MAMP a nivel celular en las raíces de Arabidopsis, observamos que la capa externa de células diferenciadas exhibe niveles bajos de expresión de PRR (receptores de reconocimiento de patrones) y carece de respuestas MAMP posteriores. Sin embargo, estas células pueden responder dañando las células vecinas. La ablación con láser de grupos de células pequeñas puede aumentar fuertemente la expresión de PRR de sus células vecinas, y el aumento de los niveles de PRR es suficiente para inducir una respuesta inmune en células que no responden. Finalmente, el daño local también puede conducir a una respuesta inmune contra bacterias beneficiosas no inmunogénicas. La puerta del daño es anulada por la sobreexpresión del receptor, lo que hace que el patógeno sea incapaz de colonizar la rizosfera. Nuestro estudio encuentra que el daño celular puede "activar" respuestas inmunes locales, lo que ayuda a comprender cómo se produce el daño celular a pesar de los patrones microbianos en el suelo y puede aprovecharse para la detección de MAMP.
Presentamos brevemente los antecedentes. Por ejemplo, el proceso característico de PTI es la acumulación de ROS, la activación de MAPK y la expresión de otros genes marcadores.
Material: triple mVENUS fusionado a una señal de localización nuclear (NLS-3xmVENUS), material marcador fluorescente, que puede analizar la respuesta de MAMP in vivo y a nivel celular.
Marcador de respuesta de MAMP. Genes: 1. PER5 (PEROXIDASA 5), que es inducida por MAMP temprano y se expresa altamente en las raíces 2. WRKY11 (PROTEÍNA 11 DE UNIÓN AL ADN WRKY); 3. MYB51 (PROTEÍNA 51 DEL DOMINIO MYB); - QUINASA SIMILAR A UN RECEPTOR INDUCIDA 1).
Las respuestas de MAMP inducidas por flg22 están restringidas espacialmente en las raíces de Arabidopsis
De ABC en la Figura 1, entre los cuatro genes marcadores, después del tratamiento de las raíces con flg22, los antecedentes de PER5 y FRK1 el ruido es bajo, la inducción es buena y la ubicación de la respuesta MAMP se limita a la zona meristemática y la zona de elongación. Para partes de raíz diferenciadas, incluso si se tratan con altas concentraciones de flg22, no se pudo observar ninguna señal de respuesta de MAMP. (El rojo es tinción de PI, el verde es señal de fluorescencia)
Para evaluar con precisión la señal de células y tipos de células específicos, los autores generaron dos materiales genéticos marcadores, y el otro se expresa y dirige constitutivamente. RFP de membrana. En observaciones a largo plazo, los autores encontraron que después del tratamiento con flag22, las raíces diferenciadas exhibieron una respuesta MAMP debilitada y espacialmente restringida, y durante la formación de la raíz lateral, las células cercanas al primordio de la raíz lateral sufrieron debido a la expulsión del primordio de la raíz lateral. Cuando se trata de destrucción, se aplica flg22 en este momento y las células adyacentes al primordio de la raíz lateral muestran una fuerte respuesta al tratamiento con MAMP (1D, 1F, las flechas azules indican el punto de formación de los primordios de la raíz lateral, los círculos punteados indican la formación de los primordios de la raíz lateral). primordios de la raíz y las flechas blancas indican la respuesta MAMP) y, cuando hay muerte celular espontánea y no inducida (posición 1E*), se encuentra una respuesta MAMP inducida por flg22 en las células vecinas y depende del receptor (FLS2) (1G).
Por tanto, las raíces diferenciadas tienen la capacidad de responder a los MAMP, y esta respuesta se induce de forma muy localizada (formación de primordios radiculares laterales, muerte celular espontánea).
La ablación celular inducida por láser provoca una capacidad de respuesta localizada a MAMP en las raíces
(Los asteriscos blancos F2A representan células sometidas a ablación por láser, todas operando en raíces diferenciadas, epidermis EP, corteza cerebral, endodermis, st pericycle cell)
Después de destruir diferentes tipos de células de la raíz mediante ablación láser, observamos un fuerte aumento en las respuestas de flg22 solo en las células vecinas. Para las propias células extirpadas, hubo una inducción mínima o nula de genes marcadores MAMP, lo que revela que el daño celular en sí no fue suficiente para provocar una fuerte respuesta de MAMP. Después de que se extirparon la epidermis, la corteza y la endodermis, las células del periciclo respondieron fuertemente a la inducción de flag22, pero la ablación de las células epidérmicas no provocó que las células epidérmicas vecinas respondieran a flag22 (F2AB).
Sabíamos anteriormente que los microorganismos beneficiosos del suelo colonizarán la zona de elongación. El uso de una dosis alta (1um) de flg22 para tratar la zona de elongación (F1B) simula este proceso. No es necesario que el daño pueda causar un MAMP. respuesta. Para descartar efectos de dosis, queríamos saber si dosis bajas (100 nm) de flg22 combinadas con ablación celular inducirían respuestas de MAMP en las células vecinas. Descubrimos que después de aplicar el tratamiento flag22 de 100 nm, solo se observó una pequeña cantidad de respuesta inducida por MAMP (F2CD) en la zona de elongación no dañada, pero si las células epidérmicas en la zona de elongación estaban dañadas, la respuesta de las células corticales a MAMP era menor. mejorado Similar a las raíces diferenciadas (F2ABCD). Por lo tanto, los autores especularon que la mejora inducida por el daño de las respuestas de MAMP en las células vecinas puede ocurrir en toda la raíz.
La presencia de DAMP por sí sola no es suficiente para inducir respuestas MAMP
En este punto, el autor se preguntó si fueron los DAMP producidos por el daño celular los que causaron las respuestas MAMP de las células vecinas. Entonces, el autor seleccionó varios DAMP clásicos, como AtPEP1, ATP, Cellobiosa, OG y una mezcla tratada con cóctel de los cuatro DAMP anteriores. Después de mezclar cada DAMP con flg22, se descubrió que incluso altas concentraciones de DAMP no podían inducir una respuesta fuerte y sostenida de flag22. [La fluorescencia aparece en la EZ porque el tratamiento con flag22 de alta concentración (1 um) causará una respuesta MAMP sin daño celular. AtPEP1 es una excepción, que solo puede causar una respuesta débil de FRK1 en el área DZ, no una respuesta PER5. Esto sugiere que la detección de señales de daño por parte de las células vecinas es más compleja de lo que los autores imaginaban y no se produce a través de DAMP, sino que puede deberse a la liberación de iones y osmolitos u otras tensiones mecánicas.
La expresión del receptor MAMP es inducida por ablación celular y es suficiente para inducir la capacidad de respuesta.
Los autores encontraron que en materiales de sobreexpresión de FLS2, la aplicación del tratamiento flg22 puede aumentar la diferenciación de la raíz externa. Se observó la respuesta de flg22 (F4A), lo que también implica si la respuesta MAMP de las células vecinas causada por el daño celular está relacionada con el aumento de la expresión de PRR.
Encontramos que el nivel de transcripción de FLS2 se activaba cuando estaba dañado (F4, BDFG), ya sea en la zona madura o en la zona de elongación de la raíz. Y el grado de regulación positiva de FLS2 en el tiempo y el espacio es consistente con el patrón de respuesta observado de MAMP (FRK1 y PER5) (compárese F2ABCD con F4BCDF). A partir de F4E, encontramos que el nivel de expresión local de FLS2 aumentó después del daño celular y la aplicación de flag22. Los autores querían saber si la activación de FLS2 estaba relacionada con la respuesta de MAMP y descubrieron que cuando se trataban con la misma bandera22 y daño celular, las células adyacentes que respondían a MAMP eran consistentes con las células activadas por FLS2 (F4HI).
Esto también muestra que el daño celular induce una alta expresión de PRR y es suficiente para inducir una respuesta MAMP.
Las tiras de Casparian compartimentan las respuestas de flg22 en raíces diferenciadas
(mutante de deleción de la tira de Casparian sgn3-3, las sustancias externas pueden ingresar directamente a las células del periciclo. F5AB son regiones diferenciadas)
FLS2 se expresa altamente en células periciclo, pero en la región madura de sgn3-3, no se observó respuesta a flg22 cuando se aplicó flg22. Sin embargo, en el material que sobreexpresa FLS2, cuando se aplicó flg22, no se observó respuesta a flg22. sgn3-3. La respuesta flg22 se observó en el tipo salvaje, pero no en el tipo salvaje (F5AB, la flecha roja indica células del periciclo, que no pueden teñirse con PI debido a la obstrucción de la banda de Kjeldahl). Este resultado demuestra que las bandas de Kjeldahl pueden compartimentar la detección inmune. En WT, la cantidad de FLS2 no provoca una respuesta MAMP, pero el promotor fuerte sí (F5.AB 3.ª columna).
Suberin Lamellae interfiere con la percepción flg22 en la endodermis
sgn3: las bandas de Kjeldahl son discontinuas en la etapa de 25 células después del inicio del alargamiento
esb1: Kjeldahl bandas Hay una discontinuidad en la etapa de 25 células después del inicio del alargamiento, y el endodermo se suberiza de antemano.
Tratado con ABA: el endodermo sufre una suberización temprana.
La función de la banda de Kjeldahl es evitar que sustancias externas entren en las células del periciclo, mientras que la capa de tapón interna (una modificación secundaria de la pared celular) en última instancia rodea todo el endodermo e inhibe la absorción molecular por parte del endodermo porque es hidrófobo La capa interna del tapón no permite que las moléculas de la pared celular entren en la membrana celular endotelial (F5, CD).
Encontramos que las células endoteliales diferenciadas tempranamente (etapa de 25 células después del inicio de la elongación, sin suberización) mostraron una respuesta a flg22 en material que sobreexpresa FLS2, pero que las células endoteliales en etapa tardía (después de la inicio de elongación) de la etapa de 55 células, suberizada) no mostró respuesta a flg22. (F.5E, 2.ª columna) En los tratados con esb1 y ABA, las respuestas de flg22 se suprimen en el endodermo temprano, lo que demuestra una suberización prematura citoprotectora que hace que FLS2 sea incapaz de unirse a flg22 (F.5E). Este fenómeno (aislamiento de FLS2 y flg22 causado por suberización prematura del endodermo) también ocurre incluso en la zona madura de la raíz, donde se destruye la epidermis y la corteza (F.5F).
El daño celular activa la expresión de múltiples receptores de reconocimiento de patrones.
Después de completar el mecanismo de un receptor, el autor quiso ampliar el mecanismo y luego encontró tres PRR, EFR y CERK1. RLP23 Los autores observaron que bajo la condición de daño celular, la expresión de los tres receptores estaba regulada positivamente, lo que reveló que el daño celular media una respuesta regulada positivamente muy común en respuesta a los MAMP. (F6AB)
Después de completar el receptor de dominio LRR clásico, el autor se preguntó si también podría aplicarse a receptores no clásicos, como LORE (ELICITACIÓN REDUCIDA ESPECÍFICA DE LIPOOLIGOSACÁRIDO). De manera similar, la expresión de LORE también fue fuertemente inducida después de la destrucción de las células diferenciadas tempranamente, y la aplicación de su ligando también dominó la respuesta MAMP en la zona de elongación en lugar de en la zona madura, que es similar a flg22 (F6D). Esto extiende este mecanismo a otros PRR.
Activación local de respuestas inmunes por daño en las interacciones raíz-bacteria
Fue solo un experimento citológico, pero aún debe implementarse en la práctica. . situación. Utilizando bacterias beneficiosas (CHA0) para la infección de raíces, los autores observaron que a pesar de una fuerte colonización de raíces, no se observó respuesta de MAMP en raíces diferenciadas que no habían sido dañadas. De manera similar al ensayo citológico, en la raíz lateral se observaron respuestas de MAMP primitivas en las adyacentes. células donde se formó la base (destrucción espontánea) y la sobreexpresión de FLS2 no requirió daño celular para inducir respuestas MAMP (F7A).
Cuando la infección bacteriana se combina con la ablación celular, las células adyacentes al sitio de destrucción muestran una respuesta a las MAMP en presencia de bacterias (F7BC). Las bacterias proporcionan varios ligandos
A continuación, el autor utiliza bacterias que son dañinas para la rizosfera, GMI1000. La infección inicial de GMI1000 no causa daño celular ni una fuerte respuesta MAMP, pero la infección continua hará que algunas células epidérmicas mueran. , y en este momento se puede observar un aumento local en la respuesta de MAMP en las células vecinas (F7D). En la zona madura del material de sobreexpresión de FLS2, tanto el tratamiento con flg22 (F4A) como la infección por bacterias beneficiosas (F7A) mostraron una respuesta MAMP y un bajo crecimiento bacteriano (F7A,E). Lo interesante aquí es que la flagelina de la bacteria dañina GMI1000 no puede activar el receptor FLS2 en Arabidopsis.
El diagrama del modelo propuesto por el autor se puede encontrar en F7F, por lo que no entraré en detalles.
Inspiración para mí
1. Haga que el experimento sea detallado. Se ha construido el gran marco y el éxito o el fracaso depende de los detalles.
2. Haz una igualdad más aproximada, por ejemplo, A=B, B=C, luego A=C.
3. Es necesario realizar cada paso del experimento. No seas perezoso y no lo des por sentado. Después de todo, los organismos vivos son muy complejos ~