How Plants Close the Door on Infection / Come le piante chiudono la porta alle infezioni

 How Plants Close the Door on Infection / Come le piante chiudono la porta alle infezioni

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa /  Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Plants have a unique ability to safeguard themselves against pathogens by closing their pores—but until now, no one knew quite how they did it. Scientists have known that a flood of calcium into the cells surrounding the pores triggers them to close, but how the calcium entered the cells was unclear.

A new study by an international team including University of Maryland scientists reveals that a protein called OSCA1.3 forms a channel that leaks calcium into the cells surrounding a plant’s pores, and they determined that a known immune system protein triggers the process.

The findings are a major step toward understanding the defense mechanisms plants use to resist infection, which could eventually lead to healthier, more resistant and more productive crops. The research paper was published on August 26, 2020 in the journal Nature.

“This is a major advance, because a substantial part of the world’s food generated by agriculture is lost to pathogens, and we now know the molecular mechanism behind one of the first and most relevant signals for plant immune response to pathogens—the calcium burst after infection,” said José Feijó, a professor of cell biology and molecular genetics at UMD and co-author of the study. “Finding the mechanism associated with this calcium channel allows further research into its regulation, which will improve our understanding of the way in which the channel activity modulates and, eventually, boosts the immune reaction of plants to pathogens.”

Plant pores—called stomata—are encircled by two guard cells, which respond to calcium signals that tell the cells to expand or contract and trigger innate immune signals, initiating the plant’s defense response. Because calcium cannot pass directly through the guard cell membranes, scientists knew a calcium channel had to be at work. But they didn’t know which protein acted as the calcium channel.

To find this protein, the study’s lead author, Cyril Zipfel, a professor of molecular and cellular plant physiology at the University of Zurich and Senior Group Leader at The Sainsbury Laboratory in Norwich, searched for proteins that would be modified by another protein named BIK1, which genetic studies and bioassays identified as a necessary component of the immune calcium response in plants.

When exposed to BIK1, one protein called OSCA1.3 transformed in a very specific way that suggested it could be a calcium channel for plants. OSCA1.3 is a member of a widespread family of proteins known to exist as ion channels in many organisms, including humans, and it seems to be specifically activated upon detection of pathogens.

To determine if OSCA1.3 was, in fact, the calcium channel he was looking for, Zipfel's team reached out to Feijó, who is also an affiliate professor in the College of Agriculture and Natural Resources at UMD and is well known for identifying and characterizing novel ion channels and signaling mechanisms in plants. Erwan Michard, a visiting assistant research scientist in Feijó’s lab and co-author of the paper, conducted experiments that revealed Zipfel’s BIK1 bait triggers OSCA1.3 to open up a calcium channel into a cell and also explained the mechanism for how it happens.

BIK1 only activates when plants get infected with a pathogen, which suggests that OSCA1.3 opens a calcium channel to close stomata as a defensive, immune system response to pathogens.

“This is a perfect example of how a collaborative effort between labs with different expertise can bring about important conclusions that would be difficult on solo efforts,” Feijó said. “This fundamental knowledge is badly needed to inform ecology and agriculture on how the biome will react to the climatic changes that our planet is going through.”

Feijó will now incorporate this new knowledge of the OSCA1.3 calcium channel into other areas of research in his lab, which is working to understand how the mineral calcium was co-opted through evolution by all living organisms to serve as a signaling device for information about stressors from infection to climate change.

“Despite the physiological and ecological relevance of stomatal closure, the identity of some of the key components mediating this closure were still unknown,” Zipfel said. “The identification of OSCA1.3 now fills one of these important gaps. In the context of plant immunity this work is particularly apt in 2020, the UN International Year of Plant Health. 

ITALIANO

Le piante hanno una capacità unica di proteggersi dagli agenti patogeni chiudendo i loro pori, ma fino ad ora nessuno sapeva esattamente come facessero. Gli scienziati sanno che un flusso di calcio nelle cellule che circondano i pori ne provoca la chiusura, ma non è chiaro come il calcio sia entrato nelle cellule.

Un nuovo studio condotto da un gruppo internazionale che comprende scienziati dell'Università del Maryland rivela che una proteina chiamata OSCA1.3 forma un canale che fa fuoriuscire il calcio nelle cellule che circondano i pori di una pianta e hanno determinato che una proteina del sistema immunitario nota innesca il processo.

I risultati sono un passo importante verso la comprensione dei meccanismi di difesa utilizzati dalle piante per resistere alle infezioni, che potrebbero portare a colture più sane, più resistenti e più produttive. Il documento di ricerca è stato pubblicato il 26 agosto 2020 sulla rivista Nature.

"Questo è un progresso importante, perché una parte sostanziale del cibo mondiale generato dall'agricoltura viene perso a causa dei patogeni, e ora conosciamo il meccanismo molecolare alla base di uno dei primi e più rilevanti segnali per la risposta immunitaria delle piante ai patogeni: il calcio scoppiato dopo infezione ", ha detto José Feijó, professore di biologia cellulare e genetica molecolare presso UMD e coautore dello studio. "Trovare il meccanismo associato a questo canale del calcio consente ulteriori ricerche sulla sua regolazione, che miglioreranno la nostra comprensione del modo in cui l'attività del canale si modula e, alla fine, potenzia la reazione immunitaria delle piante ai patogeni".

I pori delle piante, chiamati stomi, sono circondati da due cellule di guardia, che rispondono ai segnali del calcio che dicono alle cellule di espandersi o contrarsi e innescare segnali immunitari innati, avviando la risposta di difesa della pianta. Poiché il calcio non può passare direttamente attraverso le membrane delle cellule di guardia, gli scienziati sapevano che un canale del calcio doveva essere al lavoro. Ma non sapevano quale proteina agisse da canale del calcio.

Per trovare questa proteina, l'autore principale dello studio, Cyril Zipfel, professore di fisiologia vegetale molecolare e cellulare presso l'Università di Zurigo e Senior Group Leader presso il Sainsbury Laboratory di Norwich, ha cercato proteine ​​che sarebbero state modificate da un'altra proteina chiamata BIK1, quali studi genetici e biotest hanno identificato come una componente necessaria della risposta immunitaria del calcio nelle piante.

Quando viene esposta a BIK1, una proteina chiamata OSCA1.3 si trasforma in un modo molto specifico che suggerisce che potrebbe essere un canale del calcio per le piante. OSCA1.3 è un membro di una famiglia diffusa di proteine ​​note per esistere come canali ionici in molti organismi, inclusi gli esseri umani, e sembra essere specificamente attivato al rilevamento di agenti patogeni.

Per determinare se OSCA1.3 fosse, in effetti, il canale del calcio che stava cercando, il gruppo di Zipfel ha contattato Feijó, che è anche un professore affiliato al College of Agriculture and Natural Resources dell'UMD ed è ben noto per l'identificazione e la caratterizzazione di nuovi canali ionici e meccanismi di segnalazione nelle piante. Erwan Michard, assistente ricercatore in visita nel laboratorio di Feijó e coautore dell'articolo, ha condotto esperimenti che hanno rivelato che l'esca BIK1 di Zipfel innesca OSCA1.3 per aprire un canale del calcio in una cellula e ha anche spiegato il meccanismo di come accade.

BIK1 si attiva solo quando le piante vengono infettate da un agente patogeno, il che suggerisce che OSCA1.3 apre un canale del calcio per chiudere gli stomi come risposta difensiva del sistema immunitario ai patogeni.

"Questo è un perfetto esempio di come uno sforzo di collaborazione tra laboratori con competenze diverse può portare a conclusioni importanti che sarebbero difficili per gli sforzi da soli", ha detto Feijó. "Questa conoscenza fondamentale è assolutamente necessaria per informare l'ecologia e l'agricoltura su come il bioma reagirà ai cambiamenti climatici che il nostro pianeta sta attraversando".

Feijó ora incorporerà questa nuova conoscenza del canale del calcio OSCA1.3 in altre aree di ricerca nel suo laboratorio, che sta lavorando per capire come il calcio minerale è stato cooptato attraverso l'evoluzione da tutti gli organismi viventi per fungere da dispositivo di segnalazione per le informazioni sui fattori di stress dall'infezione al cambiamento climatico.

"Nonostante la rilevanza fisiologica ed ecologica della chiusura stomatica, l'identità di alcuni dei componenti chiave che mediano questa chiusura erano ancora sconosciuti", ha detto Zipfel. “L'identificazione di OSCA1.3 ora colma una di queste importanti lacune. Nel contesto dell'immunità delle piante questo lavoro è particolarmente adatto nel 2020, l'Anno internazionale della salute delle piante delle Nazioni Unite.

Da:

https://www.technologynetworks.com/immunology/news/how-plants-close-the-door-on-infection-339104?utm_campaign=NEWSLETTER_TN_Breaking%20Science%20News&utm_medium=email&_hsmi=94140453&_hsenc=p2ANqtz--nlpDo4fwbGi2jZm727MeW9xDdhCxFFeECNwkEA4vBBy1W511KKQhbA6GckaKBlY6gI7gMk20tjjcLOZN1mDfO5zIe1qqnIZs4cwMuY28kt2mA3NI&utm_content=94140453&utm_source=hs_email