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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Extracelular glutamato desencadenado por la señalización sistémica de calcio es fundamental para la inducción de las respuestas de defensa de las plantas a las heridas mecánicas y ataques de herbívoros en las plantas. Este artículo describe un método para visualizar la dinámica espacial y temporal de ambos estos factores usando las plantas del thaliana de Arabidopsis que expresan los biosensores fluorescentes calcio y glutamato-sensibles.
Las plantas responden a tensiones mecánicas como heridas y herbívoros induciendo respuestas de defensa tanto en las partes dañadas como en las distales no dañadas. Sobre herir de una hoja, un aumento en la concentración cytosolic del ion del calcio (señal de Ca2+) ocurre en el sitio de la herida. Esta señal se transmite rápidamente a las hojas no dañadas, donde se activan las respuestas de defensa. Nuestra investigación reciente reveló que el glutamato que se escapa de las células heridas de la hoja en el apoplasto alrededor de ellos sirve como señal de la herida. Este glutamato activa los canales permeables de Ca2+ similares a los receptores de glutamato, lo que luego conduce a la propagación de señales de Ca2+ a larga distancia en toda la planta. Las características espaciales y temporales de estos eventos se pueden capturar con imágenes en tiempo real de plantas vivas que expresan biosensores fluorescentes codificados genéticamente. Aquí introducimos un método planta-ancho, en tiempo real de la proyección de imagen para supervisar la dinámica de las señales de Ca2+ y de los cambios en el glutamato apoplásico que ocurren en respuesta a herir. Este enfoque utiliza un microscopio de fluorescencia de campo amplio y plantas transgénicas de Arabidopsis que expresan proteína verde fluorescente (GFP)-basado en Ca2 + y biosensores de glutamato. Además, presentamos la metodología para provocar fácilmente herida-inducida, glutamato-accionado rápido y a larga distancia Ca2+ propagación de la señal. Este protocolo también se puede aplicar a estudios sobre otras tensiones de plantas para ayudar a investigar cómo la señalización sistémica de la planta podría estar involucrada en sus redes de señalización y respuesta.
Las plantas no pueden escapar de las tensiones bióticas, por ejemplo, los insectos que se alimentan de ellas, por lo que han desarrollado sofisticados sistemas de detección de estrés y transducción de señales para detectar y luego protegerse de desafíos como la herbivoría1. Al herir o atacar a los herbívoros, las plantas inician respuestas de defensa rápidas, incluida la acumulación del ácido fitohormona jasmónico (JA) no sólo en el sitio herido, sino también en los órganos distales no dañados2. Este JA entonces ambos acciona respuestas de la defensa en los tejidos directamente dañados e induce preventivamente defensas en las partes no dañadas de la planta. En Arabidopsis,la acumulación de JA inducida por heridas se detectó en hojas distales e intactas a los pocos minutos del daño en otra parte de la planta, lo que sugiere que se está transmitiendo una señal rápida y a larga distancia desde la hoja herida3. Varios candidatos, tales como Ca2+,especies reactivas de oxígeno (ROS), y señales eléctricas, se han propuesto para servir como estas señales de heridas de larga distancia en las plantas4,5.
Ca2+ es uno de los elementos de segundo mensajero más versátiles y ubicuos en los organismos eucariotas. En las plantas, la masticación de orugas y las heridas mecánicas causan aumentos drásticos en la concentración citosólica de Ca2+ ([Ca2+]cyt)tanto en la hoja herida como en las hojas distantes desenrolladas6,7. Esta señal sistémica de Ca2+ es recibida por proteínas intracelulares de detección de Ca2+,que conducen a la activación de las vías de señalización de defensa aguas abajo, incluida la biosíntesis de JA8,9. A pesar de los informes numerosos tales que apoyan la importancia de las señales de Ca2+ en respuestas de la herida de la planta, la información sobre las características espaciales y temporales de las señales de Ca2+ inducidas por herir es limitada.
Las imágenes en tiempo real utilizando indicadores de Ca2+ codificados genéticamente son una herramienta poderosa para monitorear y cuantificar la dinámica espacial y temporal de las señales de Ca2+. Hasta la fecha, se han desarrollado versiones de dichos sensores que permiten la visualización de señales de Ca2+ a nivel de una sola célula, a tejidos, órganos e incluso plantas enteras10. El primer biosensor codificado genéticamente para Ca2+ utilizado en plantas fue la proteína bioluminiscente aequorina derivada de la medusa Aequorea victoria11. Aunque esta proteína quimioluminiscente se ha utilizado para detectar cambios de Ca2+ en respuesta a diversas tensiones en plantas12,13, 14,15, 16,17, 18,no es adecuada para imágenes en tiempo real debido a la señal luminiscente extremadamente baja que produce. Förster Resonance Energy Transfer (FRET)-basado en indicadores de Ca2 +, tales como los cameleons amarillos, también se han utilizado con éxito para investigar la dinámica de una gama de eventos de señalización de Ca2 + en las plantas19,20,21,22,23,24. Estos sensores son compatibles con los enfoques de imagen y más comúnmente están compuestos por la proteína de unión a Ca2+ calmodulina (CaM) y un péptido de unión a CaM (M13) de una quinasa de cadena ligera de miosina, todos fusionados entre dos proteínas fluoróforas, generalmente una proteína fluorescente cian (CFP) y una variante de proteína fluorescente amarilla (YFP)10. La unión de Ca2+ a CaM promueve la interacción entre CaM y M13, lo que lleva a un cambio conformacional del sensor. Este cambio promueve la transferencia de energía entre el CFP y el YFP, lo que aumenta la intensidad de fluorescencia del YFP al tiempo que disminuye la emisión de fluorescencia del CFP. El monitoreo de este cambio de CFP a fluorescencia YFP entonces proporciona una medida del aumento en el nivel de Ca2 +. Además de estos sensores FRET, los biosensores ca2+ basados en proteínas fluorescentes individuales (FP), como GCaMP y R-GECO, también son compatibles con los enfoques de imágenes de plantas y se utilizan ampliamente para estudiar los cambiosde ci cyt [Ca2+] debido a su alta sensibilidad y facilidad de uso25,26,27,28,29,30. GCaMPs contiene un solo circular permutated (cp) GFP, otra vez fusionado a CaM y el péptido M13. La interacción dependiente de Ca2+entre CaM y M13 provoca un cambio conformacional en el sensor que promueve un cambio en el estado de protonación del cpGFP, potenciando su señal fluorescente. Por lo tanto, a medida que aumentan los niveles de Ca2 +, la señal cpGFP aumenta.
Para investigar la dinámica de las señales de Ca2 + generadas en respuesta a heridas mecánicas o alimentación de herbívoros, hemos utilizado plantas transgénicas de Arabidopsis thaliana que expresan una variante de GCaMP, GCaMP3, y un microscopio de fluorescencia de campo ancho6. Este enfoque ha tenido éxito en la visualización de la transmisión rápida de una señal de Ca2 + de larga distancia desde el sitio de la herida en una hoja a toda la planta. Así, un aumento en [Ca2+]cyt fue detectado inmediatamente en el sitio de la herida pero esta señal de Ca2+ entonces fue propagada a las hojas vecinas a través de la vasculatura dentro de algunos minutos de herir. Además, encontramos que la transmisión de esta señal de herida sistémica rápida se suprime en plantas de Arabidopsis con mutaciones en dos genes similares a receptores de glutamato, Glutamato Receptor Like (GLR), GLR3.3, y GLR3.66. Los GLRs parecen funcionar como canales de Ca2+ bloqueados por aminoácidos involucrados en diversos procesos fisiológicos, incluyendo la respuesta de la herida3,el crecimiento del tubo de polen31,el desarrollo de la raíz32,la respuesta fría33y la inmunidad innata34. A pesar de esta función fisiológica amplia y bien entendida de los GLRs, la información sobre sus propiedades funcionales, como su especificidad de ligando, selectividad iónica y localización subcelular, es limitada35. Sin embargo, estudios recientes informaron que GLR3.3 y GLR3.6 están localizados en el floema y el xilema, respectivamente. Los GLRs de plantas tienen similitudes con los receptores ionotrópicos de glutamato (iGluRs)36 en mamíferos, que son activados por aminoácidos, como el glutamato, la glicina y la D-serina en el sistema nervioso de los mamíferos37. De hecho, demostramos que la aplicación de glutamato de 100 mM, pero no de otros aminoácidos, en el sitio de la herida induce una señal rápida y a larga distancia de Ca2+ en Arabidopsis,lo que indica que el glutamato extracelular probablemente actúa como una señal de herida en las plantas6. Esta respuesta se suprime en el mutante glr3.3/glr3.6sugiriendo que el glutamato puede estar actuando a través de uno o ambos de estos canales similares a receptores y, de hecho, AtGLR3.6 recientemente se demostró que está bloqueado por estos niveles de glutamato38.
En las plantas, además de su papel como aminoácido estructural, el glutamato también se ha propuesto como un regulador clave del desarrollo39; sin embargo, su dinámica espacial y temporal es poco conocida. Al igual que para el Ca2+,se han desarrollado varios indicadores genéticamente codificados para el glutamato para monitorizar la dinámica de este aminoácido en células vivas40,41. iGluSnFR es un biosensor de glutamato de fp único basado en GFP compuesto por cpGFP y una proteína de unión a glutamato (GltI) de Escherichia coli42,43. El cambio conformacional de iGluSnFR, que es inducido por la unión de glutamato a GltI, resulta en una emisión de fluorescencia GFP mejorada. Para investigar si el glutamato extracelular actúa como molécula de señalización en la respuesta de la herida de la planta, conectamos la secuencia de iGluSnFR con la secuencia básica de secreción de péptidos de señal quitinasa (CHIB-iGluSnFR) para localizar este biosensor en el espacio apóplásico6. Este acercamiento permitió la proyección de imagen de cualquier cambio en la concentración apoplástica del glutamato ([Glu]apo)usando las plantas transgénicas de Arabidopsis que expresaban este sensor. Detectamos aumentos rápidos en la señal del iGluSnFR en el sitio que hería. Estos datos apoyan la idea de que el glutamato se escapa de las células/tejidos dañados al apoplasto al herir y actúa como una señal de daño que activa los GLRs y conduce a la señal de Ca2+ de larga distancia en las plantas6.
Aquí, describimos un método de imágenes en tiempo real en toda la planta utilizando biosensores codificados genéticamente para monitorear y analizar la dinámica de ca2 + de larga distancia y señales de glutamato extracelular en respuesta a la herida6. La disponibilidad de microscopía de fluorescencia de campo amplio y plantas transgénicas que expresan biosensores codificados genéticamente proporciona un enfoque potente, pero fácil de implementar para detectar señales de larga distancia transmitidas rápidamente, como las ondas ca2 +.
1. Preparación de material vegetal
2. Preparación química
3. Ajuste del microscopio y realización de imágenes en tiempo real
4. Análisis de datos
La propagación de la señal de [Ca2+]cyt y [Glu]apo en respuesta a la herida se presenta en la Figura 3, figura 4, película S1y película S2. El corte del pecíolo de la hoja 1 en plantas que expresan GCaMP3 (a 0 s) llevó a un aumento significativo de [Ca2+]cyt que fue rápidamente inducido localmente a través de la vasculatura (a los 40 s) (Figura 3 y Película S1). Posteriormente, la señal se propagó rápidamente a las hojas vecinas (hojas 3 y 6) en pocos minutos (a los 80 s) (Figura 3 y Película S1).
Al cortar la hoja 1 en plantas que expresan CHIB-iGluSnFR, se observó un rápido aumento de [Glu]apo alrededor de la región de corte (a 2 s). Esta señal se propagó a través de la vasculatura localmente en pocos minutos (a 160 s) pero no se observó en hojas sistémicas(Figura 4 y Película S2).
Para la obtención de imágenes en tiempo real de la propagación de la señal de Ca2+ desencadenada por la aplicación de glutamato, se cortó el borde (aproximadamente 1 mm de la punta) de la hoja 1 en plantas que expresan GCaMP3 como se muestra en la Figura 5A y la Película S3. Cortar el borde de la hoja 1 causó un aumento local decyt [Ca2+] (a 40 s) pero esta señal desapareció en pocos minutos (a 124 s). Después de esperar aproximadamente 10 min para que la planta se recuperara, se aplicaron 10 μL de glutamato de 100 mM a la superficie de corte de la hoja 1, lo que provocó un aumento rápido y significativo de [Ca2+]cyt localmente (a 56 s) y propagación de la señal a las hojas distales (a 104 s) (Figura 5B y Película S4).
Para medir los cambios en [Ca2+]cyt inducidos por heridas en la hoja sistémica, se establecieron dos ROIs (ROI1 y ROI2) en la región base y la punta de la hoja 6 en plantas que expresan GCaMP3 como se muestra en la Figura 6A. Se midió el cambio de curso de tiempo de la intensidad de la señal GCaMP3 en ROI1 y ROI2 al cortar el pecíolo de la hoja 1 (Figura 6B). Se detectó un aumento significativo de [Ca2+]cyt en ROI1 antes que el de ROI2 (Figura 6B). [Ca2+] cyt alcanzó un máximo de aproximadamente 100 s después de la herida, duró más de 10 min y exhibió dos fases(Figura 6B).
Para determinar las velocidades de la onda de Ca2+ tras la herida mecánica, se determinó el punto de tiempo de una señal significativa de aumento por encima de los valores preestimulados en ROI1 y ROI2 (time-lag; ver Sección 4) (Figura 6C). Debido a que la distancia entre ROI1 y ROI2 fue de 2,7 mm en este caso (Figura 6A), la velocidad de la señal de Ca2+ en la hoja 6 se calculó como 0,15 mm/s. Para medir loscambios de apo [Glu] en respuesta al daño mecánico, roi1 se estableció en las proximidades del sitio de corte de la hoja marcada como L1 como se muestra en la Figura 7A. [Glu] la firma apo en ROI1 ha exhibido un solo pico en aproximadamente 100 s al herir (Figura 7B).

Figura 1: Numeración de las hojas de roseta de Arabidopsis. Las hojas de Arabidopsis están numeradas de mayor a menor (panel izquierdo). Un diagrama esquemático de la posición de las hojas se indica en el panel derecho. L: hoja, C: cotilledones. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

Figura 2:Un microscopio de fluorescencia utilizado en este estudio. [Ca2+]cyt y [Glu]apo dinámica se fotociró con un estereomicroscopio de fluorescencia de campo amplio. R: Mando a distancia, O: lente objetivo 1x, C: cámara sCMOS, T: Tubo basculante trinocular, S: Etapa, P: Material vegetal. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

Figura 3:Transmisión de señal ca2+ de larga distancia inducida por heridas. El corte del pecíolo (flecha blanca, 0 s) de la hoja 1 (L1) en la planta que expresa GCaMP3 desencadenó un aumento local [Ca2+]cyt (flecha roja, 40 s) que se transmitió a las hojas sistémicas [hoja 3 (L3) y hoja 6 (L6)] (flechas naranjas, 80 s). Barra de escala, 5 mm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4:Elevaciónapo desencadenada por heridas [Glu]. El corte de la hoja 1 (L1) (flecha blanca, 0 s) en plantas que expresan CHIB-iGluSnFR causó una rápida elevación de [Glu]apo (flecha roja, 80 s) que se propagó a través de la vasculatura (flecha naranja, 160 s). Barra de escala, 2 mm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5:Transmisión deseñal de Ca2+ de larga distancia activada por glutamato. (A) Cortar el borde (aproximadamente 1 mm desde la punta) de la hoja 1 (L1) en plantas que expresan GCaMP3 (flecha blanca, 0 s) causó un aumento de [Ca2+]cyt (flecha roja, 40 s). (B)La aplicación de glutamato de 100 mM a la superficie de corte de L1 (flecha blanca, 0 s) causó un aumento local de[Ca 2+] cyt (flecha roja, 56 s) que se propagó rápidamente a las hojas distales [por ejemplo, hoja 3 (L3), hoja 4 (L4) y hoja 6 (L6)] (flechas naranjas, 104 s). Barras de escala, 5 mm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6:[Ca2+] firmacyt en hojas sistémicas en respuesta a heridas mecánicas. (A)Una imagen expandida de la hoja 6 (L6) en plantas que expresan GCaMP3 se muestra en la Figura 3. Roi1 (círculo azul) y ROI2 (círculo rosa) se establecieron en la base y la región de la punta, respectivamente. La flecha blanca indica el sitio de corte del pecíolo de la hoja 1 (L1). En este caso, la distancia entre ROI1 y ROI2 fue de 2,7 mm.(B)Cuantificación de [Ca2+] firmascyt en ROI1 y ROI2. Los cambios de la intensidad de la fluorescencia eran analizados usando software de la proyección de imagen. (C) Un rastro ampliado de datos en (B) entre 0 s y 80 s. Los puntos de detección de un aumento de Ca2+ en ROI1 y ROI2 se definieron como t1 y t2,respectivamente, utilizando como criterio un aumento a 2x de la desviación estándar de los valores de prestimulación (2x SD, línea punteada). El valor de t2 - t1 se definió como time-lag (Δt) en el protocolo actual. La flecha negra indica el tiempo de corte. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

Figura 7:[Glu]apo firma en respuesta a heridas mecánicas. (A) En la Figura 4se muestra una imagen expandida de la hoja 1 (L1) en plantas que expresan CHIB-iGluSnFR. ROI1 se estableció en las inmediaciones del sitio de corte. La flecha blanca indica la región de corte. (B)La cuantificación de la firma [Glu]apo en ROI1 se supervisa utilizando software de imágenes. La flecha negra indica el tiempo de corte. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.
Película S1: Transmisión ca2+ de larga distancia después de heridas mecánicas. La herida mecánica en el pecíolo de la hoja 1 (L1) causó un aumento delcyt [Ca2+] transmitido a las hojas distales [e.g., hoja 3 (L3) y hoja 6 (L6)]. Por favor, haga clic aquí para descargar esta película.
Película S2: Elevación de los niveles de glutamato apoplásico en respuesta al corte. La herida mecánica de la hoja 1 (L1) causó un aumento inmediato en [Glu]apo. Por favor, haga clic aquí para descargar esta película.
Película S3: Elevación de [Ca2+]niveles decyt en respuesta al corte. La herida mecánica en el borde de la hoja 1 (L1) causó una elevación inmediata, local delcyt [Ca2+]. Por favor, haga clic aquí para descargar esta película.
Película S4: La aplicación de glutamato desencadena sistémicos [Ca2+]cyt aumenta. La aplicación de glutamato de 100 mM desencadenó la transmisión de Ca2+ a hojas sistémicas [por ejemplo, hoja 3 (L3), hoja 4 (L4) y hoja 6 (L6)]. Por favor, haga clic aquí para descargar esta película.
Los autores no tienen ningún conflicto de intereses.
Extracelular glutamato desencadenado por la señalización sistémica de calcio es fundamental para la inducción de las respuestas de defensa de las plantas a las heridas mecánicas y ataques de herbívoros en las plantas. Este artículo describe un método para visualizar la dinámica espacial y temporal de ambos estos factores usando las plantas del thaliana de Arabidopsis que expresan los biosensores fluorescentes calcio y glutamato-sensibles.
Este trabajo fue apoyado por subvenciones de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (17H05007 y 18H05491) a MT, la Fundación Nacional de Ciencias (IOS1557899 y MCB2016177) y la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NNX14AT25G y 80NSSC19K0126) a SG.
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| Arabidopsis expresando CHIB-iGluSnFR | Universidadde | Saitama | |
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| Murashige and Skoog (MS) medio | FUJIFILM Wako | 392-00591 | composición: 1x sales MS, 1% (p/v) de sacarosa, 0,01% (p/v) de mioinositol, 0,05% (p/v) MES y 0,5% (p/v) goma gellan; pH 5,7 ajustado con 1N KOH. |
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