Decoding early stress signaling waves in living plants using nanosensor multiplexing

Resumo

O aumento da exposição a estresses ambientais devido às mudanças climáticas tem afetado adversamente o crescimento e a produtividade das plantas. Sob estresse, as plantas ativam uma cascata de sinalização envolvendo múltiplas moléculas como H₂O₂, e hormônios vegetais como o ácido salicílico (AS), levando à resistência ou adaptação ao estresse. No entanto, a ordem temporal e a composição da cascata resultante permanecem amplamente desconhecidas. Neste estudo, desenvolvemos um nanosensor para AS e o multiplexamos com um nanosensor de H₂O₂ para monitoramento simultâneo dos sinais de H₂O₂ e AS induzidos por estresse quando plantas de Brassica rapa subsp. chinensis (pak choi) foram submetidas a diferentes tratamentos de estresse: luz, calor, patógeno e ferimento mecânico. Os nanosensores reportaram dinâmicas distintas e características de onda temporal da geração de H₂O₂ e AS para cada estresse. Com base nesses insights temporais, formulamos um modelo cinético bioquímico que sugere que a forma de onda inicial de H₂O₂ codifica informação específica para cada tipo de estresse. Esses resultados demonstram que a multiplexação de sensores pode revelar mecanismos de sinalização de estresse em plantas, auxiliando no desenvolvimento de culturas resilientes ao clima e no diagnóstico pré-sintomático de estresses.

Abstract

Increased exposure to environmental stresses due to climate change have adversely affected plant growth and productivity. Upon stress, plants activate a signaling cascade, involving multiple molecules like H2O2, and plant hormones such as salicylic acid (SA) leading to resistance or stress adaptation. However, the temporal ordering and composition of the resulting cascade remains largely unknown. In this study we developed a nanosensor for SA and multiplexed it with H2O2 nanosensor for simultaneous monitoring of stress-induced H2O2 and SA signals when Brassica rapa subsp. Chinensis (Pak choi) plants were subjected to distinct stress treatments, namely light, heat, pathogen stress and mechanical wounding. Nanosensors reported distinct dynamics and temporal wave characteristics of H2O2 and SA generation for each stress. Based on these temporal insights, we have formulated a biochemical kinetic model that suggests the early H2O2 waveform encodes information specific to each stress type. These results demonstrate that sensor multiplexing can reveal stress signaling mechanisms in plants, aiding in developing climate-resilient crops and pre-symptomatic stress diagnoses.