Convergence of Calcium Signaling Pathways of Pathogenic Elicitors and Abscisic Acid in Arabidopsis Guard Cells

Resumo

Uma variedade de estímulos, como o ácido abscísico (ABA), espécies reativas de oxigênio (EROS) e elicitores de reações de defesa das plantas, demonstrou induzir o fechamento dos estômatos. Nosso estudo aborda pontos em comum nas vias de sinalização que esses estímulos desencadeiam. Um relatório recente mostrou que tanto o ABA quanto o EROS estimulam uma corrente de influxo de Ca2+ ativada por hiperpolarização e dependente de NADPH em células-guarda de Arabidopsis denominada “ICa” (Z.M. Pei, Y. Murata, G. Benning, S. Thomine, B. Klüsener, G.J. Allen, E. Grill, J.I. Schroeder, Nature [2002] 406: 731-734). Descobrimos que o elicitor de levedura (Saccharomyces cerevisiae) e a quitosana, ambos elicitores de respostas de defesa da planta, também ativam essa corrente e a ativação requer NAD(P)H citosólico. Esses elicitores também induziram elevações na concentração de cálcio citosólico livre ([Ca2+]cyt) e fechamento de estômatos em células-guarda. O ABA e o ROS provocaram citoscilações de [Ca2+]cyt nas células-guarda somente quando o Ca2+ extracelular estava presente. Em um tampão extracelular de KCl de 5 mm, 45% das células-guarda exibiram citoscilações espontâneas de [Ca2+] que diferiam em suas propriedades cinéticas dos aumentos de Ca2+ induzidos por ABA. Essas oscilações espontâneas de [Ca2+]cyt também exigiam a disponibilidade de Ca2+ extracelular e dependiam da concentração de potássio extracelular. Curiosamente, quando o ABA foi aplicado a células espontaneamente oscilantes, o ABA causou a interrupção das elevações de [Ca2+]cyt em 62 de 101 células, revelando um novo modo de sinalização do ABA. Esses dados mostram que os elicitores fúngicos ativam uma ramificação compartilhada com o ABA na via de transdução do sinal de estresse em células-guarda que ativa os canais ICa da membrana plasmática e sustentam a necessidade de Ca2+ extracelular para a sinalização do elicitor e do ABA, bem como para a manutenção da oscilação do [Ca2+]cyt celular.

Abstract

A variety of stimuli, such as abscisic acid (ABA), reactive oxygen species (ROS), and elicitors of plant defense reactions, have been shown to induce stomatal closure. Our study addresses commonalities in the signaling pathways that these stimuli trigger. A recent report showed that both ABA and ROS stimulate an NADPH-dependent, hyperpolarization-activated Ca²⁺ influx current in Arabidopsis guard cells termed “I_Ca” (Z.M. Pei, Y. Murata, G. Benning, S. Thomine, B. Klüsener, G.J. Allen, E. Grill, J.I. Schroeder, Nature [2002] 406: 731–734). We found that yeast (Saccharomyces cerevisiae) elicitor and chitosan, both elicitors of plant defense responses, also activate this current and activation requires cytosolic NAD(P)H. These elicitors also induced elevations in the concentration of free cytosolic calcium ([Ca²⁺]_cyt) and stomatal closure in guard cells. ABA and ROS elicited [Ca²⁺]_cytoscillations in guard cells only when extracellular Ca²⁺was present. In a 5 mm KCl extracellular buffer, 45% of guard cells exhibited spontaneous [Ca²⁺]_cytoscillations that differed in their kinetic properties from ABA-induced Ca²⁺ increases. These spontaneous [Ca²⁺]_cyt oscillations also required the availability of extracellular Ca²⁺ and depended on the extracellular potassium concentration. Interestingly, when ABA was applied to spontaneously oscillating cells, ABA caused cessation of [Ca²⁺]_cyt elevations in 62 of 101 cells, revealing a new mode of ABA signaling. These data show that fungal elicitors activate a shared branch with ABA in the stress signal transduction pathway in guard cells that activates plasma membrane I_Ca channels and support a requirement for extracellular Ca²⁺ for elicitor and ABA signaling, as well as for cellular [Ca²⁺]_cyt oscillation maintenance.