A defined range of guard cell calcium oscillation parameters encodes stomatal movements

Resumo

As oscilações na concentração de cálcio citosólico ([Ca2+]cit) são reguladores centrais das cascatas de transdução de sinal, embora as funções dos parâmetros individuais de oscilação do [Ca2+]cit na regulação das respostas fisiológicas a jusante permaneçam amplamente desconhecidas. Nas plantas, as células-guarda integram sinais ambientais e endógenos para regular a abertura dos poros estomáticos e as oscilações de [Ca2+]cit são um componente fundamental do fechamento dos estômatos. Aqui, variamos sistematicamente os parâmetros de oscilação da [Ca2+]cit nas células-guarda da Arabidopsis usando uma “pinça de cálcio” e mostramos que a [Ca2+]cit controla o fechamento do estômato por dois mecanismos. O fechamento de curto prazo “reativo ao cálcio” ocorreu rapidamente quando a [Ca2+]cit foi elevada, enquanto o grau de fechamento de longo prazo em estado estável foi “programado pelo cálcio” pelas oscilações da [Ca2+]cit dentro de uma faixa definida de frequência, número de transientes, duração e amplitude. Além disso, nas células-guarda do mutante gca2, as oscilações de [Ca2+]cit induzidas pelo ácido abscísico e pelo cálcio extracelular aumentaram a frequência e reduziram a duração do transiente, e o fechamento estomático em estado estável foi abolido. A imposição experimental de oscilações de [Ca2+]cit com parâmetros que provocaram o fechamento no tipo selvagem restaurou o fechamento de longo prazo nos estômatos gca2. Esses dados mostram que uma janela definida de parâmetros de oscilação de [Ca2+]cit da célula-guarda programa mudanças na abertura estomática em estado estacionário.

Abstract

Oscillations in cytosolic calcium concentration ([Ca²⁺]_cyt) are central regulators of signal transduction cascades, although the roles of individual [Ca²⁺]_cyt oscillation parameters in regulating downstream physiological responses remain largely unknown. In plants, guard cells integrate environmental and endogenous signals to regulate the aperture of stomatal pores and [Ca²⁺]_cyt oscillations are a fundamental component of stomatal closure. Here we systematically vary [Ca²⁺]_cyt oscillation parameters in Arabidopsis guard cells using a ‘calcium clamp’ and show that [Ca²⁺]_cyt controls stomatal closure by two mechanisms. Short-term ‘calcium-reactive’ closure occurred rapidly when [Ca²⁺]_cyt was elevated, whereas the degree of long-term steady-state closure was ‘calcium programmed’ by [Ca²⁺]_cyt oscillations within a defined range of frequency, transient number, duration and amplitude. Furthermore, in guard cells of the gca2 mutant, [Ca²⁺]_cyt oscillations induced by abscisic acid and extracellular calcium had increased frequencies and reduced transient duration, and steady-state stomatal closure was abolished. Experimentally imposing [Ca²⁺]_cyt oscillations with parameters that elicited closure in the wild type restored long-term closure in gca2 stomata. These data show that a defined window of guard cell [Ca²⁺]_cyt oscillation parameters programs changes in steady-state stomatal aperture