Transport składników odżywczych podczas reakcji odpornościowej w komórkach mezofilu Arabidopsis thaliana

Rośliny są niemal przez cały czas wystawione na kontakt z bakteriami i grzybami, które mogą powodować infekcje. Aby przetrwać w takich warunkach, rośliny wykształciły mechanizmy pozwalające na rozpoznawanie patogenów i odpowiednią odpowiedź pozwalającą uniknąć potencjalnej infekcji i śmierci rośliny. Podczas odpowiedzi odpornościowej komórki roślin zmieniają swój metabolizm przechodząc z programu wzrostu do obrony, który odpowiada za wydzielanie związków przeciwbakteryjnych i przeciwgrzybicznych, indukcję śmierci komórek w tkance otaczającej miejsce wniknięcia patogenów oraz informowanie innych tkanek i komórek o postępującej infekcji. Głównym celem patogenów jest pozyskanie składników odżywczych od gospodarza. Jednym z takich patogenów jest bakteria Pseudomonas syringae, która namnaża się w przestrzeni międzykomórkowej liścia bogatej w składniki odżywcze oraz wodę zwanej apoplastem. Związki organiczne jakie można tam znaleźć to między innymi cukry, które wytwarzane są w procesie fotosyntezy przez komórki mezofilu i eksportowane do apoplastu w celu ich transportu do tkanek takich jak np. korzeń, które nie prowadzą fotosyntezy. Kolonizacja apoplastu stwarza bakteriom łatwy dostęp do gotowych do metabolizowania źródeł węgla i azotu (cukry i aminokwasy). Dotychczas dość obszernie opisano system odporności roślin na patogeny, jednak temat zmian w transporcie składników odżywczych pozostaje zagadką. Aby zrozumieć te zmiany opracowano system bazujący na protoplastach, komórkach mezofilu pozbawionych ściany komórkowej, który umożliwia śledzenie zmian w transporcie aminokwasów i cukrów podczas elicytacji komórek czynnikami bakteryjnymi indukującymi odporność lub podatność na infekcje bakteryjne. W poniższej pracy prezentuję, że protoplasty typu dzikiego (WT) aktywnie odpowiadają na elicytację hamując proces pobierania aminokwasów i cukrów jako skutek depolaryzacji błony komórkowej i alkalinizacji apoplastu. Protoplasty, które gromadzą zwiększoną ilość kwasu salicylowego, ważnego mediatora odpowiedzi odpornościowej, wykazują się zwiększonym importem aminokwasów i cukrów, zaś koronatyna, czynnik wirulencji P. syringae, powoduje wzmożony eksport składników odżywczych. Przeciwny efekt kwasu salicylowego i koronatyny dowodzi, że rywalizacja pomiędzy gospodarzem a bakteriami o składniki odżywcze jest istotnym elementem odporności i podatności na patogeny.

Plants are constantly challenged by microbes that can potentially cause disease. To survive in this hostile environment, plants have evolved sophisticated surveillance mechanisms to recognize microbes and respond to their presence, which typically allows them to prevent infections. During the immune response plants re-program their cell metabolism and switch from grow mode to defense mode. Among other defense mechanisms, plants secret antimicrobial compounds, trigger self-inflicted cell death in tissue areas surrounding the infection sites, and inform the uninfected distal tissues of the attempted infection. Pathogen’s main goal during an infection is to obtain nutrients from the host. Pseudomonas syringae is a bacterial pathogen that propagates in the intercellular space of the leaf, so called apoplast, which is rich in nutrients and water. The nutrients that P. syringae finds in the apoplast are produced in the photosynthetic tissues and secreted to the apoplast for long distance transport to non-photosynthetic tissues. This provides P. syringae with the opportunity to gain access to readily metabolizable sources of carbon and nitrogen such as sugars and amino acids. Cellular responses and signaling pathways triggered by the perception of microbes are well characterized, but the role of nutrient’s and nutrient transporters during defense or disease susceptibility remains poorly explored. To gain understanding on the role of nutrient transport and in plant defense or susceptibility, we utilized a cell-based (protoplasts) transport assay that allowed us to monitor nutrient transport activity in photosynthetic cells, so called mesophyll cells, upon the elicitation of defense or susceptibility with the purified molecules in the absence of the pathogen. Here, we provided evidences that wild type mesophyll cells actively respond to microbe’s perception by shifting the transport balance as a result of the inhibition of uptake via the depolarization of the plasma membrane and the alkalinization of the apoplast. In addition, cells that over-accumulate the defense mediator molecule salicylic acid, showed an enhanced nutrient accumulation, whereas the bacterial molecule coronatine, a virulence factor that is known to facilitate P. syringae infections, was able to induce plant mesophyll cells to secrete more nutrients. The antagonistic activity of salicylic acid and coronatine on nutrient transport suggest that a battle between plants and microbes for the acquisition of nutrients is a central component of defense and susceptibility.