Signal interactions between nitric oxide and reactive oxygen intermediates in the plant hypersensitive disease resistance response

Resumo

O óxido nítrico (NO) e os intermediários reativos de oxigênio (ROIs) desempenham papéis importantes na ativação de mecanismos de resistência a doenças, tanto em animais quanto em plantas. Em animais, o NO coopera com os ROIs para matar células tumorais e para matar bactérias por macrófagos. Esses eventos citotóxicos ocorrem porque os níveis desregulados de NO conduzem uma reação limitada à difusão com O2- para gerar peroxinitrito (ONOO-), um mediador de lesão celular em muitos sistemas biológicos. Aqui mostramos que, em células de soja, a produção desregulada de NO no início de uma resposta hipersensível induzida por patógenos (HR) não é suficiente para ativar a morte celular hipersensível. A HR é acionada somente pela produção equilibrada de NO e ROIs. Além disso, a morte celular hipersensível é ativada após a interação do NO não com o O2-, mas com o H2O2 gerado a partir do O2- pela superóxido dismutase. O aumento do nível de O2- reduz a toxicidade mediada pelo NO, e o ONOO- não é um mediador da morte celular hipersensível. Durante a HR, a superóxido dismutase acelera a dismutação de O2- em H2O2 para minimizar a perda de NO por reação com O2- e para desencadear a morte celular hipersensível por meio da cooperação NO/H2O2. No entanto, o O2- e não o H2O2 é o principal sinal de ROI para a indução patogênica da glutationa S-transferase, e as taxas de produção e dismutação de O2- geradas durante a explosão oxidativa desempenham um papel crucial na modulação e integração da sinalização de NO/H2O2 na HR. Assim, embora as plantas e os animais usem um repertório semelhante de sinais na resistência a doenças, os ROIs e o NO são empregados de maneiras surpreendentemente diferentes para desencadear a morte da célula hospedeira.

Abstract

Nitric oxide (NO) and reactive oxygen intermediates (ROIs) play key roles in the activation of disease resistance mechanisms both in animals and plants. In animals NO cooperates with ROIs to kill tumor cells and for macrophage killing of bacteria. Such cytotoxic events occur because unregulated NO levels drive a diffusion-limited reaction with O2− to generate peroxynitrite (ONOO−), a mediator of cellular injury in many biological systems. Here we show that in soybean cells unregulated NO production at the onset of a pathogen-induced hypersensitive response (HR) is not sufficient to activate hypersensitive cell death. The HR is triggered only by balanced production of NO and ROIs. Moreover, hypersensitive cell death is activated after interaction of NO not with O2− but with H2O2 generated from O2− by superoxide dismutase. Increasing the level of O2− reduces NO-mediated toxicity, and ONOO− is not a mediator of hypersensitive cell death. During the HR, superoxide dismutase accelerates O2− dismutation to H2O2 to minimize the loss of NO by reaction with O2− and to trigger hypersensitive cell death through NO/H2O2 cooperation. However, O2− rather than H2O2 is the primary ROI signal for pathogen induction of glutathione S-transferase, and the rates of production and dismutation of O2− generated during the oxidative burst play a crucial role in the modulation and integration of NO/H2O2 signaling in the HR. Thus although plants and animals use a similar repertoire of signals in disease resistance, ROIs and NO are deployed in strikingly different ways to trigger host cell death.