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Jun 24, 2023

Se requiere una nueva familia de proteínas para unir el dominio de la membrana de la franja de Caspariano y la homeostasis de los nutrientes en el arroz

Nature Plants (2023)Cite este artículo Detalles de las métricas Las uniones célula-célula son esenciales para que los organismos multicelulares mantengan la homeostasis de los nutrientes. Una unión estrecha de tipo vegetal, la franja del Caspariano

Naturaleza Plantas (2023)Citar este artículo

Detalles de métricas

Las uniones célula-célula son esenciales para que los organismos multicelulares mantengan la homeostasis de los nutrientes. Desde hace más de cien años se conoce una unión estrecha de tipo vegetal, el dominio de membrana de la tira de Caspar (CS)-CSD, que sella el espacio paracelular entre las células endodérmicas adyacentes. Sin embargo, la base molecular de esta estructura sigue siendo desconocida. Aquí informamos que una nueva familia de proteínas que contiene un dominio rico en glicina/alanina/prolina, un dominio de lectina y un péptido señal secretor (GAPLESS) media la unión de la membrana plasmática al CS en el arroz. Las proteínas GAPLESS están localizadas específicamente en el CS de las células endodérmicas de la raíz, y la pérdida de sus funciones da como resultado una unión célula-célula deshabilitada y una homeostasis de nutrientes alterada. La proteína GAPLESS forma un complejo estrecho con OsCASP1 en la membrana plasmática, mediando así en la unión CS-CSD. Este estudio proporciona información valiosa sobre el complejo de unión de las células endodérmicas de las plantas, arrojando luz sobre nuestra comprensión de la homeostasis de los nutrientes en los cultivos y las uniones celulares de los eucariotas.

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Datos y bases de datos utilizados en este estudio: modelos Alphafold de AtCASP1 (uniprot ID:Q9SIH4) y OsCASP1 (uniprot ID:Q7XPU9). Predicción de dominio: InterPro (v.92.0, IPR036426). Base de datos RNA-seq: http://ipf.sustech.edu.cn/pub/ricerna/. La base de datos unicelular de raíz de arroz se obtuvo de http://www.elabcaas.cn/rcar/index.html. Los péptidos señal de las secuencias identificadas se verificaron utilizando SignalP (https://services.healthtech.dtu.dk/service.php?SignalP). La secuencia BLAST se buscó en la base de datos PLAZA: https://bioinformatics.psb.ugent.be/plaza. El código utilizado para generar una red de coexpresión está disponible en GitHub (https://github.com/Yorks0n/Os_endo_network). Cualquier información adicional está disponible del autor correspondiente previa solicitud. Los datos originales se proporcionan con este documento.

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Agradecemos a N. Geldner por sus sugerencias y edición de este manuscrito; W.-J. Cai, S.-N. Yin, Z.-P. Zhang, X.-Y. Gao, J.-Q. Li, L. Liu, M.-L. Ma (Centro de Excelencia en Ciencias Moleculares de Plantas de CAS, Instituto de Fisiología y Ecología Vegetal de Shanghai, CAS), J.-S. Xue (Universidad Normal de Shanghai), X.-X. Li, Y. Feng, C. Peng (Centro de Imágenes Biológicas, Instituto de Biofísica, Academia China de Ciencias) y Zhenjiang Lehua Technology por su soporte técnico.

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (31930024, 32061130209), la Academia China de Ciencias (XDB27010103) y el Fondo Newton (NAF\R1\201264, NIF\R1\191915).

Laboratorio Nacional Clave de Genética Molecular de Plantas, Centro de Shanghai para la Biología del Estrés de las Plantas, Centro CAS para la Excelencia en Ciencias Moleculares de las Plantas, Academia China de Ciencias, Shanghai, China

Tao Song, Ying-Qi Tian, ​​​​Chu-Bin Liu, Ya-Ling Wang, Jing Zhang, Yu Su, Li-Na Xu, Mei-Ling Han y Dai-Yin Chao

Universidad de la Academia China de Ciencias, Beijing, China

Tao Song, Ying-Qi Tian, ​​​​Chu-Bin Liu, Jing Zhang y Yu Su

Future Food Beacon of Excellence y Escuela de Biociencias, Universidad de Nottingham, Nottingham, Reino Unido

Yi-Qun Gao y David E. Salt

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D.-YC dirigió la investigación. TS realizó la mayoría de los experimentos. Y.-QT, C.-BL, Y.-QG, Y.-LW, JZ y L.-NX realizaron algunos de los experimentos. TS, Y.-QT, C.-BL, YS y M.-LH contribuyeron al trabajo analítico. DES supervisó todo el estudio. D.-YC y TS escribieron el manuscrito.

Correspondencia a Dai-Yin Chao.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature Plants agradece a Joop Vermeer, Shuang Wu y los demás revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

a, Datos del transcriptoma unicelular de GAPLESS1, GAPLESS2 y GAPLESS3 en raíces de arroz. Los datos de expresión se obtuvieron del Root Cell Atlas in Rice (RCAR) (//www.elabcaas.cn/rcar/index.html). b, Imágenes representativas después de la tinción con GUS. Imágenes de sección longitudinal después de la tinción con GUS de pGAPLESS1:GUS, pGAPLESS2:GUS y pGAPLESS3:GUS. Barras de escala: 400 μm. c, Análisis filogenético de proteínas GAPLESS en el mundo vegetal. El árbol se construyó utilizando las secuencias de aminoácidos completas de las proteínas GAPLESS. Diferentes colores representan diferentes especies: Monocotiledóneas, Gimnospermas, grado ANA, Magnoliales y Eudicotiledóneas. d, Composición de aminoácidos del dominio GAP de proteínas GAPLESS y sus ortólogos en diferentes especies de plantas. G, glicina. A, alanina, P, prolina.

ac, Los genotipos de GAPLESS1 (a), GAPLESS2 (b) y GAPLESS3 (c) en diferentes mutantes simples y dobles como se indica. Las líneas rojas representan sitios específicos de GAPLESS. Las bases de los insertos se marcaron con colores rojos y las eliminaciones se reemplazaron por líneas azules.

anuncio, Los fenotipos de crecimiento de líneas mutantes independientes sin huecos1. eh, Los fenotipos de crecimiento de líneas mutantes independientes gapless2. il, Los fenotipos de crecimiento de líneas mutantes independientes gapless3. mp, Los fenotipos de crecimiento de líneas mutantes independientes sin huecos 1/2. Se muestran imágenes representativas de ZH11 y diferentes líneas mutantes de gapless1 (a), gapless2 (e), gapless3 (i) y gapless1/2 (m) cultivadas en arrozales durante 75 días. Cuantificación de la altura de la planta (b, f, j y n), número de macollos (c, g, k y o) y número de granos por planta (d, h, l y p) de las líneas independientes de mutantes simples y de tipo salvaje. ZH11, respectivamente. Barras de escala, 10 cm in (a, e, i, m). Los valores en (bd, fh, jl, np) se muestran como la media ± sd Los puntos de datos son muestras independientes. En (b), n = 19; en (c), n = 14 para ZH11, n = 10 para sin espacios1-1, n = 9 para sin espacios1-2, n = 11 para sin espacios1-3; en (d), n = 7; en (f), n = 7 para ZH11 y sin espacios2-1, n = 6 para sin espacios2-2 y sin espacios2-3; en (g), n = 8 para ZH11, n = 6 para sin espacios2-1, sin espacios2-2 y sin espacios2-3; en (h), n = 6; en (j), n = 8 para ZH11 y sin espacios3-1, n = 6 para sin espacios3-2, n = 7 para sin espacios3-3; en (k), n = 10 para ZH11, n = 9 para sin espacios3-1, n = 7 para sin espacios3-2 y sin espacios3-3. Las letras diferentes indican diferencias significativas en P <0,05 (ANOVA unidireccional con la prueba post hoc de Tukey). Los valores exactos de P se enumeran en Datos de origen.

Datos fuente

a, Imágenes representativas de ZH11, el mutante doble gapless2/3 y el mutante único gapless1 cultivados en arrozales durante 75 días. b, c, Cuantificación de la altura de la planta (b) y el número de macollos (c) de los mutantes gapless2/3, gapless1 y ZH11 de tipo salvaje, respectivamente. Los puntos de datos son muestras independientes. En b, n = 12 para ZH11, n = 7 para sin espacios2/3, n = 10 para sin espacios1; en c, n = 10 para ZH11, n = 7 para sin espacios2/3, n = 8 para sin espacios1. d, Imágenes representativas de granos de ZH11 y mutantes sin espacios como se indica. En las imágenes se muestran estadísticas del peso de grano por planta. e, Imágenes representativas de hojas viejas de ZH11, el mutante gapless2/3 y el gapless1 cultivados en arrozales. f, Imágenes representativas de XRF que muestran la distribución de potasio (K) y calcio (Ca) en hojas de ZH11 y los mutantes sin espacios como se indica. g,h, concentraciones de potasio (g) y calcio (h) en hojas viejas, según lo revelado por ICP-MS. Los puntos de datos son muestras independientes en cifras. En (g) y (h), n = 12 para ZH11, n = 6 para sin espacios2/3, n = 7 para sin espacios1. Barras de escala, 10 cm en (a), 5 cm en (d), 2 cm en ( e,) y 5 mm en (f). Los valores en (b, c, d, g y h) se muestran como la media ± sd. Las letras diferentes indican diferencias significativas en P <0,05 (ANOVA unidireccional con la prueba post hoc de Tukey). Los valores exactos de P se enumeran en Datos de origen.

Datos fuente

a, Imágenes representativas de ZH11, mutantes simples de gapless1, gapless2, gapless3 y doble mutante gapless1/2 cultivados en condiciones de nutrientes completos durante 7 días. b, c, Cuantificación de la longitud de la raíz lateral adventicia (b) y la longitud del brote (c) de ZH11, mutantes simples de gapless1, gapless2, gapless3 y mutante doble gapless1/2, respectivamente. d, se cultivaron plántulas de 7 días del mutante y ZH11 en una solución nutritiva con (+K) o sin (-K) KNO3 durante otros 10 días. Se presentan fotografías representativas. e, f, Cuantificación de la longitud de los brotes de ZH11 y los mutantes sin (e) o con (f) tratamiento de deficiencia de K, respectivamente. g, h, Cuantificación de la longitud de la raíz de ZH11 y los mutantes sin (g) o con (h) tratamiento de deficiencia de K, respectivamente. Los valores en (b, c, e, f, g, h) se muestran como la media ± sd (n ≥ 6). Las letras diferentes indican diferencias significativas en P <0,05 (ANOVA unidireccional con la prueba post hoc de Tukey). Los números de muestras independientes se indicaron en las columnas respectivamente. Los puntos de datos son muestras independientes en cifras. Los valores exactos de P se enumeran en Datos de origen.

Datos fuente

Se cultivaron plantas de tipo salvaje ZH11, mutantes simples gapless1, gapless2, gapless3 y mutantes dobles gapless1/2 en arrozales durante 75 días. El contenido de los elementos se determinó mediante ICP-MS. El código de colores indica cambios en la acumulación de elementos en mutantes en comparación con ZH11 (rojo arriba, azul abajo).

Datos fuente

Imágenes representativas de TEM que muestran laminillas de suberina en CS a 30 mm de las puntas de las raíces. Las laminillas de suberina estaban marcadas con color amarillo a la izquierda. Las imágenes TEM sin colorear están a la derecha. CS, franja de Casparia. Barras de escala: 200 nm.

a, Se utilizó un anticuerpo específico de GAPLESS1 para realizar el ensayo de inmunofluorescencia. El blanco de calcoflúor mostró señal de pared celular. El anticuerpo secundario es IgG de cabra anti-conejo conjugado con Alexa Fluor 555. Se utilizó un ensayo con gapless1/2 como control negativo. b. Las imágenes representativas muestran señales OsCASP1 de pOsCASP1:RFP-OsCASP1 en dos posiciones diferentes de las puntas de las raíces de tipo salvaje: 2-5,5 mm (izquierda) y >5,5 mm (derecha). OsCASP1 se localiza alrededor de la membrana plasmática (AP) a 2-5,5 mm y se localiza exclusivamente en el dominio de la franja de Caspar (CSD) en la posición >5,5 mm. c, Imágenes representativas muestran señales GAPLESS1 del tipo salvaje NIP y oscasp1 en una posición de 8 mm desde las puntas de las raíces. d, Expresión transitoria de GAPLESS1 marcado con GFP y GAPLESS1 marcado con GFP sin el péptido señal secretor en hojas de tabaco. Imágenes representativas muestran la ubicación de GAPLESS1 y GAPLESS1 que carecen del péptido señal secretor (ΔSS) en las hojas de tabaco. Para observar la localización de GAPLESS1 en la pared celular, se realizó un ensayo de plasmólisis tratando las hojas con manitol 0,8 M. PM, membrana plasmática. CW, pared celular. Barras de escala: 10 μm en (a, c), 25 μm en (b), 50 μm en (d).

a, Micrografías electrónicas de transmisión de CS en oscasp1 y Nipponbare (NIP) después de la plasmólisis a 8 mm de las puntas de las raíces. CS, franja de Casparia; PM, membrana plasmática. Barras de escala: 200 nm. b, La longitud de la membrana plasmática anclada (PM) en oscasp1 (n = 25) y NIP (n = 16) se presentó en un gráfico de violín. Se determinaron diferencias significativas en comparación con NIP mediante una prueba t de Student bilateral (P <0,01). Los puntos de datos son muestras independientes en cifras. c, d, Las plantas se cultivaron en arrozales durante 75 días y las hojas viejas se recogieron mediante ensayo ICP-MS para detectar las concentraciones elementales. Se enumeran las concentraciones de potasio (K) y calcio (Ca) en NIP (n = 6) y oscasp1 (n = 6). Los datos se representan como media ± sd. Los puntos de datos son muestras independientes en figuras. Las diferentes letras en (c) y (d) indican diferencias significativas en P <0,05 (ANOVA unidireccional con la prueba post hoc de Tukey). Los valores exactos de P en (c) y (d) se enumeran en Datos de origen.

Datos fuente

a, b, la estructura 3D prevista de AtCASP1 (a) y OsCASP1 (b) se obtuvo de la base de datos de estructura de proteínas Alphafold (//www.alphafold.ebi.ac.uk/). c, d, Las proteínas Tandem RFP-GFP se fusionaron con el extremo C y el extremo N de OsCASP1 respectivamente, y se expresaron en hojas de tabaco. La relación GFP/RFP refleja el pH del entorno donde se encuentran las etiquetas. e, Imágenes representativas de hojas de tabaco que expresan RFP-GFP-OsCASP1, con eliminación del extremo N largo. La relación GFP/RFP refleja el pH del entorno donde se encuentran las etiquetas. f, Inmunomarcado de superficie de protoplastos de arroz que expresan OsCASP1 o AtCASP1 fusionados con una etiqueta GFP en el extremo N. La inmunoprueba de GFP se realizó utilizando un anticuerpo GFP junto con un anticuerpo secundario conjugado con Alexa Fluor 647. Barras de escala: 100 μm en (c, d y e), 10 μm en (f).

Tabla complementaria 1.

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Reimpresiones y permisos

Song, T., Tian, ​​YQ., Liu, CB. et al. Se requiere una nueva familia de proteínas para unir el dominio de la membrana de la franja de Caspar y la homeostasis de los nutrientes en el arroz. Nat. Plantas (2023). https://doi.org/10.1038/s41477-023-01503-z

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Recibido: 20 de febrero de 2023

Aceptado: 01 de agosto de 2023

Publicado: 31 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41477-023-01503-z

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