Экзогенный кальций модулирует активность аденилатциклаз растений картофеля при биотическом стрессе

Резюме: Целью данного исследования являлось изучение влияния различных концентраций ионов кальция на активность трансмембранной (тмАЦ) и растворимой форм аденилатциклаз (рАЦ) из клеток корней и стеблей растений двух сортов картофеля, контрастных по устойчивости к возбудителю кольцевой гнили Clavibacter michiganensis ssp. sepedonicus (Cms) на фоне воздействия его экзополисахаридов. Результаты экспериментов показали, что реакция тмАЦ из корней и стеблей на экзогенный Cа2+ оказалась почти противоположной у растений обоих сортов. В клетках корня растений устойчивого сорта 1 и 10 мМ Cа2+ весьма интенсивно активировал тмАЦ. В то же время в стебле средние концентрации Cа2+ ингибировали активность тмАЦ, а самые высокие – 1 и 10 мМ, на нее не влияли. Напротив, активность тмАЦ из клеток корня растений восприимчивого сорта незначительно активировалась повышенными концентрациями Cа2+, но в стеблях все концентрации Cа2+, начиная с 1 мкМ, существенно повышали активность тмАЦ. Таким образом, неодинаковая реакция аденилатциклаз растений картофеля обоих сортов на различные концентрации экзогенного кальция свидетельствует, скорее всего, о наличии нескольких изоформ этого фермента, отличающихся по чувствительности к ионам кальция. При этом, возможно, растения обоих сортов также отличаются по спектру таких изоформ. Исходя из того, что под воздействием экзополисахаридов Cms чувствительность к ионам кальция обеих форм аденилатциклаз существенно менялась в клетках растений обоих сортов, можно предположить, что эта особенность является одним из механизмов различной устойчивости растений данных сортов к патогену.

1. Gehring C., Turek I. Cyclic nucleotide monophosphates and their cyclases in plant signaling // Frontiers Plant Science. 2017. Vol. 8. Article 1704. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.01704

2. Leipe D.D., Koonin E.V., Aravind L. STAND, a class of P-loop NTPases including animal and plant regulators of programmed cell death: multiple, complex domain architectures, unusual phyletic patterns, and evolution by horizontal gene transfer // Journal of Molecular Biology. 2004. Vol. 343. Issue 1. P.1–28. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2004.08.023

3. Al-Younis I., Wong A., Gehring C. The Arabidopsis thaliana K+-uptake permease 7 (AtKUP7) contains afunctional cytosolic adenylate cyclase catalytic centre // FEBS Letters. 2015. Vol. 589. Issue 21, part B. P. 3848–3852. https://doi.org/10.1016/j.febslet.2015.11.038

4. Chatukuta P., Dikobe T.B., Kawadza D.T., Sehlabane K.S., Takundwa M.M., Wong A., et al. An Arabidopsis clathrin assembly protein with a predicted role in plant defense can function as an adenylate cyclase // Biomolecules. 2018. Vol. 8. Issue 2. P. 15. https://doi.org/10.3390/biom8020015

5. Kasahara M., Suetsugu N., Urano Y., Yamamoto C., Ohmori M., Takada Y., et al. An adenylyl cyclase with a phosphodiesterase domain in basal plants with a motile sperm system // Scientific Reports. 2016. Vol. 6. Article no. 39232. https://doi.org/10.1038/srep39232

6. Halls M.L., Cooper D.M.F. Regulation by Ca2+- signaling pathways of adenylyl cyclases // Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 2011. Vol. 3. Issue 1. Article no. a004143. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a004143

7. Johnson J.M., Reichelt M., Vadassery J., Gershenzon J., Oelmüller R. An Arabidopsis mutant impaired in intracellular calcium elevation is sensitive to biotic and abiotic stress // BMC Plant Biology. 2014. Vol. 14. Issue 1. Article no. 162. https://doi.org/10.1186/1471-2229-14-162

8. Hepler P.K. Calcium: a central regulator of plant growth and development // The Plant Cell. 2005. Vol. 17. Issue 8. P. 2142–2155. https://doi.org/10.1105/tpc.105.032508

9. Ma S.Y., Zhao M. Calcium regulation of Arabidopsis salt resistance // Acta Agronomica Sinica. 2006. Vol. 32. Issue 11. P. 1706–1711.

10. Moeder W., Urquhart W., Ung H., Yoshioka K. The role of cyclic nucleotide-gated ion channels in plant immunity // Molecular Plant. 2011. Vol. 4. Issue 3. P. 442–452. https://doi.org/10.1093/mp/ssr018

11. Strobel G.A. Purification and properties of a phytotoxic polysaccharide produced by Corynebacterium sepedonicum // Plant Physiology. 1967. Vol. 42. Issue 10. P. 1433–1441. https://doi.org/10.1104/pp.42.10.1433

12. Lomovatskaya L.A., Romanenko A.S., Filinova N.V., Dudareva L.V. Determination of cAMP in plant cells by a modified enzyme immunoassay method // Plant Cell Reports. 2011. Vol. 30. Issue 1. P. 125–132. https://doi.org/10.1007/s00299-010-0950-5

13. Medvedev S.S. Calcium signaling system in plants // Russian Journal of Plant Physiology. 2005. Vol. 52. Issue 2. P. 249–270. https://doi.org/10.1007/s11183-005-0038-1

14. Willoughby D., Cooper. D.M.F. Organization and Ca2+ regulation of adenylyl cyclases in cAMP microdomains // Physiological Reviews. 2007. Vol. 87. Issue 3. P. 965–1010. https://doi.org/10.1152/physrev.00049.2006

15. Швартау В.В., Вирыч П.А., Маковейчук Т.И., Артеменко А.Ю. Кальций в растительных клетках // Вестник Днепропетровского университета. Серия: Биология. Экология. 2014. Т. 22. N 1. С. 19–32. https://doi.org/10.15421/011403

16. Graskova I.A., Borovskii G.B., Kolesnichenko A.V., Voinikov V.K. Peroxidase as a component of the signaling pathway in potato cells during ring rot infection // Russian Journal of Plant Physiology. 2004. Vol. 51. Issue 5. P. 621–626. https://doi.org/10.1023/B:RUPP.0000040747.61131.a9

17. Tanzarella P., Ferretta A., Barile S.N., Ancona M., de Rasmo D., Signorile A., et al. Increased levels of cAMP by the calcium-dependent activation of soluble adenylyl cyclase in parkin-mutant fibroblasts // Cells. 2019. Vol. 8. Issue 3. P. 250. https://doi.org/10.3390/cells8030250

18. Witters E., Quanten L., Bloemen J., Valcke R., van Onckelen H. Product identification and adenylyl cyclase activity in chloroplasts of Nicotiana tabacum // Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2004. Vol. 18. Issue 4. P. 499–504. https://doi.org/10.1002/rcm.1365

19. Witters E., Valcke R., van Onckelen H. Cytoenzymological analysis of adenylyl cyclase activity and 3’:5’-cAMP immunolocalization in chloroplasts of Nicotiana tabacum // New Phytologist. 2005. Vol. 168. Issue 1. P. 99–108. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2005.01476.x

20. Carricarte V.C., Bianchin G.M., Muschietti J.P., Téllez-Iñón M.T., Perticari A., Torres N., et al. Adenylate cyclase activity in a higher plant, alfalfa (Medicago sativa) // The Biochemical Journal. 1988. Vol. 249. Issue 3. P. 807–811. https://doi.org/10.1042/bj2490807

21. Moutinho A., Hussey P.J., Trevawas A.J., Malho R. cAMP acts as a second messenger in pollen tube growth and reorientation // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 2001. Vol. 98. Issue 18. P. 10481–1048. https://doi.org/10.1073/pnas.171104598

22. Ma W., Berkowitz G.A. Ca2+ conduction by plant cyclic nucleotide gated channels and associated signaling components in pathogen defense signal transduction cascades // New Phytologist. 2011. Vol. 190. Issue 3. P. 566–572. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2010.03577.x

23. Duszyn M., Świeżawska B., Szmidt-Jaworska A., Jaworski K. Cyclic nucleotide gated channels (CNGCs) in plant signalling-Current knowledge and perspectives // Journal of Plant Physiology. 2019. Vol. 241. Article no. 153035. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2019.153035

24. Ломоватская Л.А., Романенко А.С., Криволапова Н.В., Копытчук В.Н., Саляев Р.К. Системная активация аденилатциклазы, локализованной в плазмалемме клеток картофеля при бактериальном патогенезе // Доклады Академии наук. 2007. Т. 413. N 3. C. 420–423.

25. Ломоватская Л.А., Романенко А.С., Филинова Н.В. Аденилатциклазы растений: влияние биотического стрессора на кинетические параметры трансмембранной и «растворимой» форм аденилатциклазы // Биологические мембраны. 2014. Т. 31. N 2. С. 129–136. https://doi.org/10.7868/S0233475514010071

26. Romanenko A.S., Lomovatskaya L.A., Shafikova T.N., Borovskii G.B., Krivolapova N.V. Potato сell plasma membrane receptors to ring rot pathogen extracellular polysaccharides // Journal of Phytopathology. 2003. Vol. 151. Issue 1. P 1–6. https://doi.org/10.1046/J.1439-0434.2003.00667.x

27. Bianchet C., Wong A., Quaglia M., Alqurashi M., Gehring C., Ntoukakis V., et al. An Arabidopsis thaliana leucine-rich repeat protein harbors an adenylyl cyclase catalytic center and affects responses to pathogens // Journal of Plant Physiology. 2019. Vol. 232. P. 12–22. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2018.10.025

28. Пятыгин С.С., Воденеев В.А., Опритов В.А. Деполяризация плазматической мембраны как универсальная первичная биоэлектрическая реак- ция растительных клеток на действия различных // Успехи современной биологии. 2006. Т. 126. N 5. C. 492–502.

29. Соореr D.M.F., Shell M.J., Thorn P., Irvine R.F. Regulation of adenylyl cyclase by membrane potential // Journal of Biological Chemistry. 1998. Vol. 273. Issue 42. P. 27703–27707. https://doi.org/10.1074/jbc.273.42.27703

30. Pittman J.K. Vacuolar Ca2+ uptake // Cell Calcium. 2011. Vol. 50. Issue 2. P. 139–146. https://doi.org/10.1016/j.ceca.2011.01.004