Compreender as interações entre patógenos de plantas usando dados espaciais e únicos

Biologia das Comunicações, volume 6, número do artigo: 814 (2023) Citar este artigo

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As plantas estão em contato com diversos patógenos e microorganismos. A intensa investigação nos últimos 30 anos resultou na identificação de múltiplos receptores imunes em espécies modelo e de cultivo, bem como na sobreposição de sinalização em receptores imunes intracelulares e localizados na superfície. No entanto, os cientistas ainda têm uma compreensão limitada de como as plantas respondem a diversos patógenos com resolução espacial e celular. Avanços recentes em tecnologias unicelulares, de núcleo único e espaciais podem agora ser aplicados às interações planta-patógeno. Aqui, descrevemos o estado atual dessas tecnologias e destacamos questões biológicas pendentes que podem ser abordadas no futuro.

As plantas podem ser infectadas por diversos organismos patogênicos que modulam as células hospedeiras para permitir seu crescimento e disseminação. Os patógenos utilizam uma variedade de estratégias de manipulação que podem variar durante o curso da infecção. Estas estratégias incluem a supressão das defesas das plantas, bem como a utilização de toxinas e enzimas degradativas para facilitar a colonização e a libertação de nutrientes1. Alguns patógenos podem penetrar e invadir diretamente os tecidos das plantas, enquanto outros conseguem entrar através de feridas ou aberturas naturais. Patógenos transmitidos por vetores podem ser entregues diretamente nos tecidos vasculares por diferentes grupos de insetos sugadores perfurantes. Cada mecanismo de invasão tecidual coloca o patógeno em contato com diferentes tipos de células e tecidos1,2,3.

Fases distintas de infecção por patógenos são observadas simultaneamente em uma folha4. A distribuição do patógeno nas plantas não é homogênea, gerando desenvolvimento desigual de sintomas5,6,7. A maioria dos estudos anteriores que investigaram as interações planta-patógeno foram realizados utilizando plantas inteiras ou tipos de tecidos complexos. Existem diferenças significativas entre as respostas unicelulares e de tecido inteiro, sugerindo que a resposta observada ao nível do tecido é uma média de oscilações que ocorrem entre células alvo e não alvo do patógeno8. Avanços tecnológicos recentes permitem aos cientistas investigar respostas de plantas e patógenos em resolução unicelular ou em um contexto espacial9,10,11. Esses avanços facilitarão uma compreensão mais holística das respostas celulares e da variabilidade dentro de um tecido.

As plantas possuem um sistema imunológico inato, que consiste em receptores de reconhecimento de padrões localizados na superfície (PRRs) e receptores intracelulares de repetição ricos em leucina (NLRs) de ligação a nucleotídeos . Os PRRs podem reconhecer padrões moleculares conservados associados a micróbios e danos (MAMPs e DAMPs, respectivamente), resultando em imunidade desencadeada por PRR (PTI). Os receptores imunes NLR das plantas reconhecem efetores de patógenos secretados dentro das células, induzindo imunidade desencadeada por efetores (ETI) . Embora PRRs e NLRs sejam estruturalmente distintos e possam reconhecer diferentes componentes patogênicos, eles compartilham uma sobreposição significativa na sinalização a jusante, como cascatas de proteína quinase ativada por mitógeno (MAPK), fluxo de cálcio, uma explosão de espécies reativas de oxigênio (ROS), reprogramação transcricional, e sinalização de fitohormônios13. Recentemente, foi demonstrado que o PTI e o ETI potencializam-se mutuamente para mediar uma resistência robusta . Avanços nas tecnologias unicelulares e espaciais têm o potencial de elucidar as respostas celulares em células adjacentes e alvo de patógenos.

Embora a sinalização imunológica tenha sido extensivamente estudada, os cientistas ainda não compreendem a expressão espacial dos receptores imunes em diversos tecidos vegetais. Durante muitos anos, presumimos que todas as células vegetais eram imunocompetentes. Recentemente, foi demonstrado que apenas um subconjunto restrito de zonas radiculares de Arabidopsis responde diretamente à flagelina MAMP na ausência de danos . A caracterização detalhada das células vegetais competentes em resposta durante o processo de infecção é necessária para compreender os mecanismos que regulam a progressão da doença.