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

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

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.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Л. А. Халилова

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

Author for correspondence.
Email: lhalilova@mail.ru
Russian Federation, Москва

А. С. Воронков

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

Email: lhalilova@mail.ru
Russian Federation, Москва

References

  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

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Dynamics of constitutive uptake of the endocytosis marker FM 4-64 by root cells of 5-day-old seedlings of A. thaliana plants. FM4–64 – 2 microns, 1 – wild type, 2 - knockout mutant AtFlot1ko (SALK_205125C). The values were compared independently for each time point (* – P < 0.05, ** – P < 0.001) and in each variant throughout the experiment (statistically significant values at P < 0.05 are indicated in different Latin letters).

Download (81KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Fluorescence intensity of FM4-64 in root cells of 5-day-old seedlings of wild type A. thaliana plants (DT) (a, b, c) and knockout mutant (AtFlot1ko) (d, d, e). I – control (a, d), II – 10 µm flg22 (b, e), III – 10 µm flg22 + + 100 µm NUC + 10 mM MsCD (c, e). The dotted border marks the root area used for morphometric calculation of the FM signal intensity. The scale is 40 microns.

Download (267KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Fluorescence intensity FM 4-64 by root cells of 5-day-old seedlings of A. thaliana plants. 1 – wild type, 2 – knockout mutant AtFlot1ko (SALK_205125C). The seedlings were pretreated with 10 microns of flg22 for 1 hour. FM4-64 – 2 microns, NUC – 100 microns, MsCD – 10 mM. Statistically significant values at P < 0.05 are indicated in different Latin letters.

Download (94KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Ultrastructure of root cells of 5-day-old wild–type A. thaliana seedlings and its knockout mutant (AtFlot1ko): a–b – wild type, 10 µm flg22; g–e - wild type, 100 µm NUC + 10 mM MsCD); g–i – AtFlot1ko, 10 µm flg22; k–m – AtFlot1ko, 100 microns NUC + 10 mM MsCD. ER – endoplasmic reticulum; PMT – paramural body; B – vacuole; white asterisk – trans-Golgi network/early endosomes; black asterisk – late endosome/multivesicular body; white arrow – exosomes. The scale is 1 micron.

Download (2MB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».