Summary
Intercellular communication via plasmodesmata (PD) is essential for plant growth, development, and defense, yet its regulation remains poorly understood. We set out to identify the chloroplast retrograde signals that regulate intercellular trafficking via PD.
Using a combination of Arabidopsis thaliana mutants and gene silencing in Nicotiana benthamiana, we found that the metabolites of the tetrapyrrole biosynthetic pathway, most likely heme, can act to modulate PD-mediated intercellular trafficking. Knockout or knockdown of GUN5, encoding the catalytic subunit of the magnesium chelatase, revealed a correlation between reduced levels of total heme and severely decreased intercellular trafficking.
Further, plants with reduced expression of genes involved in chloroplast RNA processing were shown to have decreased total heme levels and decreased intercellular trafficking. Like with GUN5, reduced expression of FC2, but not FC1, led to reduced levels of total heme and drastically reduced intercellular trafficking.
Thus, the results support a model where a specific pool of heme regulates plasmodesmata and intercellular trafficking. We also identified genes that are potentially regulated by the heme signal to modify plasmodesmal function. Together, these findings strengthen the link between chloroplasts and PD in coordinating intercellular communication for optimal plant development and resource allocation.
概要
胞间连丝(plasmodesmata, PD)所介导的细胞间运输对生长、发育和防御至关重要，但其调控机制尚未明确。为此，本研究旨在鉴定调控PD介导细胞间运输的叶绿体逆行信号。
通过并用拟南芥(Arabidopsis thaliana)突变体和本氏烟草(Nicotiana benthamiana)的基因沉默，我们发现四吡咯生物合成途径的代谢产物——极可能为血红素——能够调控PD介导的细胞间运输。实验表明，敲除或敲低GUN5基因(编码镁螯合酶催化亚基)导致总血红素水平降低，细胞间运输显著减少。
进一步研究表明，在叶绿体RNA加工相关基因表达降低的植株中，总血红素水平和细胞间运输均明显下降。与GUN5的情况类似，FC2(却非FC1)的表达水平降低导致总血红素减少和细胞间运输大幅下降。
上述研究结果支持了一个「特定血红素库调控PD和细胞间运输」的模型。此外，我们鉴定出一系列可能受血红素信号调控以调节PD功能的基因。综上，这些发现进一步表明了在细胞间通讯的协调，以至植物最优发育和资源分配中，叶绿体与PD有着紧密关系。
Resumen
La comunicación intercelular a través de los plasmodesmos (PD) es esencial para el crecimiento, desarrollo y defensa de las plantas, aunque su regulación sigue siendo poco comprendida. Nos propusimos identificar las señales retrogradas del cloroplasto que regulan el tráfico intercelular a través de los PD.
Mediante una combinación de mutantes en Arabidopsis thaliana y silenciamiento génico en Nicotiana benthamiana, descubrimos que los metabolitos de la vía biosintética de tetrapirroles, muy probablemente el hemo, pueden actuar para modular el tráfico intercelular mediado por PD. La eliminación o reducción de GUN5, que codifica la subunidad catalítica de la quelatasa de magnesio, revelaron una correlación entre los niveles reducidos de hemo total y una disminución severa de tráfico intercelular.
Además, las plantas con expresión reducida de genes involucrados en el procesamiento del ARN del cloroplasto mostraron niveles reducidos de hemo total y tráfico intercelular. Así como con GUN5, la expresión reducida de FC2, pero no de FC1, resultó en niveles reducidos de hemo total y una disminución drástica de tráfico intercelular.
Por lo tanto, los resultados respaldan un modelo en el que un reservorio específico de hemo regula los plasmodesmos y el tráfico intercelular. También identificamos genes que están potencialmente regulados por la señal de hemo para modificar la función de los plasmodesmos. En conjunto, estos hallazgos refuerzan el vínculo entre los cloroplastos y los plasmodesmos en la coordinación de la comunicación intercelular para un desarrollo óptimo de las plantas y una asignación de recursos adecuada.
