Cellular Ca2+ Signals Generate Defined pH Signatures in Plants

Resumo

Os íons cálcio (Ca²⁺) desempenham um papel-chave na sinalização celular em todos os organismos. A questão de como um simples íon pode mediar especificidade tem impulsionado a pesquisa sobre o papel das assinaturas de Ca²⁺ e sua maquinaria de codificação e decodificação. Tais estudos frequentemente se concentraram apenas no Ca²⁺, e nossa compreensão de como a sinalização por Ca²⁺ é integrada a outras respostas permanece pobre. Usando imageamento in vivo com diferentes sensores fluorescentes geneticamente codificados em células de Arabidopsis, mostramos que os transientes de Ca²⁺ não ocorrem isoladamente, mas são acompanhados por mudanças de pH no citosol. Estimamos o grau de acidificação citosólica em até 0,25 unidades de pH em resposta ao ATP externo em pontas de raiz de plântulas. Validamos essa ligação pH–Ca²⁺ para estímulos distintos. Nossos dados sugerem que a associação com o pH pode ser uma característica geral dos transientes de Ca²⁺ que depende das características do transiente e do compartimento intracelular. Esses achados sugerem uma ligação fundamental entre a dinâmica de Ca²⁺ e de pH em células vegetais, generalizando observações anteriores de sua associação em tubos polínicos em crescimento e pelos radiculares. As assinaturas de Ca²⁺ atuam em conjunto com as assinaturas de pH, possivelmente fornecendo uma camada adicional de transdução de sinal celular para ajustar a especificidade do sinal.

Abstract

Ca2+ play a key role in cell signaling across organisms. The question of how a simple ion can mediate specific outcomes has spurred research into the role of Ca2+ signatures and their encoding and decoding machinery. Such studies have frequently focused on Ca2+ alone and our understanding of how Ca2+ signaling is integrated with other responses is poor. Using in vivo imaging with different genetically encoded fluorescent sensors in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) cells, we show that Ca2+ transients do not occur in isolation but are accompanied by pH changes in the cytosol. We estimate the degree of cytosolic acidification at up to 0.25 pH units in response to external ATP in seedling root tips. We validated this pH-Ca2+ link for distinct stimuli. Our data suggest that the association with pH may be a general feature of Ca2+ transients that depends on the transient characteristics and the intracellular compartment. These findings suggest a fundamental link between Ca2+ and pH dynamics in plant cells, generalizing previous observations of their association in growing pollen tubes and root hairs. Ca2+ signatures act in concert with pH signatures, possibly providing an additional layer of cellular signal transduction to tailor signal specificity.