Nas plantas, os íons de cálcio (Ca ²⁺ ) funcionam como um sinal central para vários estímulos, variando de pistas de desenvolvimento interno a estresses físicos ou biológicos, como infecções. No entanto, a natureza transitória dos sinais de Ca ²⁺ e as identidades enigmáticas dos canais de Ca ²⁺ da planta dificultaram o estudo do papel desses íons. Além disso, a conexão entre os canais de Ca ²⁺ e as respostas específicas das plantas muitas vezes não são claras. Escrevendo em Natureza , Thor et ai. ¹ agora eu esclareço uma dessas conexões e eles relatam que encontraram um tipo de canal de Ca ²⁺ que é ativado durante uma resposta específica contra a infecção.

Duas células especializadas em forma de lua, chamadas células-guarda, formam um poro foliar denominado estoma (Fig. 1a). Os estômatos permitem a troca gasosa, incluindo a entrada de dióxido de carbono para o processo de geração de energia da fotossíntese. Portanto, são essenciais para a sobrevivência das plantas. No entanto, microrganismos causadores de doenças (patógenos) podem usar os estômatos como uma porta de entrada para a invasão. Para limitar a infecção, as plantas fecham os estômatos ao reconhecer tal ataque, em uma resposta de defesa chamada imunidade estomática ² . As superfícies das células vegetais e animais têm proteínas receptoras que contêm regiões chamadas domínios quinase, e essas proteínas podem reconhecer motivos moleculares microbianos evolutivamente conservados chamados padrões moleculares associados a patógenos (PAMPs) e iniciar vias de sinalização necessárias para defesa.

Figura 1 | Canal de cálcio que regula o fechamento estomático. a, Plantas, como a espécie modelo Arabidopsis thaliana, têm poros foliares chamados estômatos. Se a planta detectar um agente causador de doenças (chamado patógeno), as células protetoras nos estômatos se fecham rapidamente em resposta. b, Thor et al. 1 descreve a identificação do canal de íon cálcio (Ca 2+) na via que leva ao fechamento estomático. Os patógenos são detectados pela proteína receptora FLS2, que forma um complexo com a proteína BAK1. Quando esse complexo detecta um fragmento de proteína bacteriana, denominado flg22, ele adiciona um grupo fosfato (P) à proteína BIK1, ativando-a. BIK1 então fosforila o canal de Ca 2+. Thor et al. relatam que duas proteínas da família OSCA, OSCA1.3 e OSCA1.7, podem funcionar como canais de Ca 2+ durante essa resposta (não se sabe se um ou os dois juntos cumprem essa função). Não está claro como um influxo de Ca 2+ através do canal causa o fechamento dos estômatos. Uma possibilidade é que as enzimas chamadas proteínas quinases dependentes de cálcio (CDPKs) ativem os canais de ânions do tipo S (SLACs). Os SLACs permitem que os ânions (íons carregados negativamente) deixem a célula, levando à perda de água que leva ao fechamento estomático.

No andar do modelo Arabidopsis thaliana , uma proteína receptora denominada FLS2, que possui um domínio quinase, liga-se à proteína flagelina bacteriana, reconhecendo uma região deste PAMP denominada flg22. Este evento de reconhecimento faz com que o FLS2 forme um complexo receptor ativo com outra quinase receptora da superfície celular chamada BAK1. O complexo adiciona um grupo fosfato a uma quinase citoplasmática chamada BIK1. Esta fosforilação de BIK1 ativa respostas imunes ³ , como a produção de espécies reativas de oxigênio pela proteína RBOHD. BIK1 é necessário para a imunidade estomática ⁴ , e se as células guarda contiverem uma versão mutante do gene que codifica esta quinase, a planta não pode responder a flg22. No entanto, a ligação entre o reconhecimento de PAMP e Ca ²⁺O fechamento estomático mediado e regulado por BIK1 não está claro.

Para conectar os pontos, Thor et ai. especulou que, por meio da fosforilação direta, BIK1 controla os canais de Ca ²⁺ necessário para a imunidade estomática. Os autores se concentraram em um canal iônico chamado OSCA1.3, que é fosforilado pela detecção de flg22. Thor e colegas relatam que OSCA1.3 é permeável ao Ca ²⁺ , e que a fosforilação de OSCA1.3 por BIK1 no resíduo de aminoácido da serina 54 (no mesmo tipo de motivo que o fosforilado por BIK1 em RBOHD) ativa este canal em reconhecimento de patógenos (Fig. 1b). Além disso, nossa observação de que o gene que codifica OSCA1.3 é especificamente expresso nos estômatos é consistente com o papel do canal na imunidade estomática.

Thor e repolho . não observaram um efeito claro na resposta imune ao flg22 em uma planta mutante na qual o gene OSCA1.3 estava desligado. No entanto, em uma planta também projetada para ter uma versão mutante de outro membro do clado 1, o gene OSCA1.7 , o fechamento estomático ao perceber flg22 foi afetado e a suscetibilidade à infecção bacteriana aumentou, em comparação com a resposta na planta do tipo selvagem. OSCA1.7 tem um motivo de proteína semelhante ao fosforilado em OSCA1.3 por BIK1, e é ativado por fosforilação por BIK1 para gerar um influxo de Ca ²⁺ nas células. Portanto, parece que OSCA1.3 e OSCA1.7 são Ca ²⁺canais que regulam a imunidade estomática e provavelmente funcionam de forma redundante, de modo que, se OSCA1.3 estiver ausente, OSCA1.7 pode cumprir seu papel. Não se sabe se apenas uma ou ambas as proteínas juntas formam canais de Ca. ²⁺ que atuam na imunidade estomática.

Além de identificar esses canais de Ca ²⁺ , Thor et ai. explorou o papel do hormônio vegetal ácido abscísico (ABA), que regula o fechamento dos estômatos quando a planta detecta um déficit hídrico. Este hormônio também controla as defesas dos estômatos, porque os estômatos das plantas deficientes em ABA não se fecham de forma eficaz ao perceber os patógenos ² . No entanto, os autores descobriram que uma planta com mutações nos genes que codificam OSCA1.3 e OSCA1.7 responde totalmente ao ABA, indicando que esses canais não estão envolvidos no fechamento estomático mediado por ABA. Esta observação corrobora as evidências anteriores ^{4 de} que a regulação da imunidade estomática por BIK1 não requer ABA. Além disso, Thor et al . relatar que o sinal de ativação total de Ca ²⁺ por flg22 em folhas que tinham mutações nos genes que codificam OSCA1.3 e OSCA1.7 não foi afetado; as células-guarda constituem apenas uma pequena fração das células da folha. Este resultado apóia fortemente o papel específico desses canais na imunidade estomática, ao invés da imunidade geral, embora BIK1 seja necessário para ambos os tipos de resposta.

Como muda a concentração de Ca ²⁺ gerar respostas celulares específicas a estímulos é uma questão central nesta área de pesquisa. Uma ideia proposta é que padrões temporais específicos de estimulação dos níveis citoplasmáticos de Ca ²⁺ poderia fornecer uma pista chave, e que essas 'assinaturas de Ca ²⁺ 'poderia ser gerado e decodificado por componentes de ligação de Ca específicos ²⁺ , tais como proteínas calmodulinas ou proteínas quinases dependentes de cálcio ⁸ . Os resultados de Thor e seus colegas sugerem, em vez disso, que o Ca se canaliza ²⁺ poderia determinar a especificidade, pelo menos para a imunidade estomática.

Embora as proteínas OSCA permitam o fechamento dos estômatos independentemente do envolvimento do ABA, o fechamento mediado pelo ABA ou em resposta à infecção provavelmente envolve o mesmo mecanismo, que em última análise fecha os estômatos movendo a água para longe das células de guarda. . Portanto, as duas formas devem convergir em algum ponto. A ativação de canais que permitem que íons carregados negativamente (ânions) saiam da célula, como os canais de ânions do tipo S, chamados SLACs, é uma etapa crucial no movimento estomático. ⁹ . A proteína quinase OPEN STOMATA1, que é um componente de uma via de sinalização mediada por ABA, ativa SLACs e foi proposta ² como ponto de convergência para respostas de defesa e sinalização ABA. No entanto, algumas proteínas quinases dependentes de cálcio também ativam SLAC ¹⁰ , e tal Ca Os decodificadores de ²⁺ sinais, ou talvez até os próprios canais de ânions, podem ser o ponto de convergência.

Um tema emergente nos estudos de canais de Ca ²⁺ das plantas é a sua regulação por fosforilação. Estudos anteriores ^11 , 12 relataram que BIK1 e BAK1 fosforilam membros de outro grupo de canais de Ca ²⁺ das plantas, canais iônicos ativados por nucleotídeos cíclicos, para regular sua função ou estabilidade. A fosforilação de OSCA1.3 e OSCA1.7 por BIK1 ressalta a conexão entre as quinases receptoras e os canais de Ca ²⁺ , presumivelmente para gerar sinais de Ca ²⁺ estímulo específico. Será interessante determinar se as proteínas da família OSCA interagem com outros componentes na superfície das células para formar uma estrutura chamada canalossomo, um grupo de moléculas sinalizadoras que circundam um canal iônico.¹³ .

Até agora, as proteínas OSCA têm sido principalmente relacionadas à detecção de estresse osmótico. Eles são categorizados como um tipo de canal de detecção mecânico, que converte forças físicas em sinais bioquímicos. ^14 , 15 . OSCA1.3 e OSCA1.7 são ativados por estresse osmótico ou estimulação mecânica, além de sua ativação por BIK1? As duas proteínas desenvolveram um papel específico de defesa ou também têm outras funções nos estômatos? Compreenda a função biológica de cada sinal OSCA e Ca ²⁺ que eles geram lançarão luz sobre a biologia estomática. Essas percepções podem ser cruciais para a bioengenharia de plantas para enfrentar os desafios futuros na produção agrícola.

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