Comprendere le interazioni dei patogeni vegetali utilizzando lo spazio e il singolo

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 814 (2023) Citare questo articolo

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Le piante sono in contatto con diversi agenti patogeni e microrganismi. Un'intensa indagine negli ultimi 30 anni ha portato all'identificazione di più recettori immunitari in specie modello e coltivate, nonché alla segnalazione di sovrapposizioni nei recettori immunitari localizzati in superficie e intracellulari. Tuttavia, gli scienziati hanno ancora una comprensione limitata di come le piante rispondono ai diversi agenti patogeni con risoluzione spaziale e cellulare. I recenti progressi nelle tecnologie spaziali e a cellula singola possono ora essere applicati alle interazioni pianta-patogeno. Qui descriviamo lo stato attuale di queste tecnologie ed evidenziamo le questioni biologiche in sospeso che possono essere affrontate in futuro.

Le piante possono essere infettate da diversi organismi patogeni che modulano le cellule ospiti per consentirne la crescita e la diffusione. Gli agenti patogeni utilizzano una varietà di strategie di manipolazione che possono variare nel corso dell’infezione. Queste strategie includono la soppressione delle difese delle piante e l’impiego di tossine ed enzimi degradativi per facilitare la colonizzazione e il rilascio di nutrienti1. Alcuni agenti patogeni possono penetrare e invadere direttamente i tessuti vegetali, mentre altri riescono ad entrare attraverso ferite o aperture naturali. Gli agenti patogeni trasmessi da vettori possono essere trasportati direttamente nei tessuti vascolari da diversi gruppi di insetti succhiatori. Ciascun meccanismo di invasione tissutale porta l'agente patogeno a contatto con diversi tipi di cellule e tessuti1,2,3.

In una foglia si osservano simultaneamente stadi distinti dell'infezione da parte dell'agente patogeno4. La distribuzione degli agenti patogeni nelle piante non è omogenea, generando uno sviluppo disuguale dei sintomi5,6,7. La maggior parte degli studi precedenti che hanno indagato sulle interazioni pianta-patogeno sono stati condotti utilizzando piante intere o tipi di tessuti complessi. Esistono differenze significative tra le risposte di una singola cellula e quelle dell'intero tessuto, suggerendo che la risposta osservata a livello tissutale è una media delle oscillazioni che si verificano tra le cellule mirate al patogeno e quelle non mirate8. I recenti progressi tecnologici consentono agli scienziati di studiare le risposte di piante e agenti patogeni alla risoluzione di una singola cellula o in un contesto spaziale9,10,11. Questi progressi faciliteranno una comprensione più olistica delle risposte cellulari e della variabilità all’interno di un tessuto.

Le piante possiedono un sistema immunitario innato, che consiste di recettori di riconoscimento di pattern localizzati sulla superficie (PRR) e di recettori ripetuti ricchi di leucina che legano nucleotidi intracellulari (NLR)12. I PRR possono riconoscere modelli molecolari conservati associati ai microbi e ai danni (MAMP e DAMP, rispettivamente), con conseguente immunità innescata dal PRR (PTI). I recettori immunitari NLR delle piante riconoscono gli effettori patogeni secreti all'interno delle cellule, inducendo l'immunità attivata dagli effettori (ETI)12. Sebbene PRR e NLR siano strutturalmente distinti e possano riconoscere diversi componenti patogeni, condividono una significativa sovrapposizione nella segnalazione a valle, come le cascate della proteina chinasi attivata dal mitogeno (MAPK), il flusso di calcio, un'esplosione di specie reattive dell'ossigeno (ROS), la riprogrammazione trascrizionale, e segnalazione del fitormone13. Recentemente, è stato dimostrato che PTI ed ETI si potenziano reciprocamente per mediare una robusta resistenza14,15. I progressi nelle tecnologie spaziali e unicellulari hanno il potenziale per chiarire le risposte cellulari nelle cellule mirate ai patogeni e nelle cellule adiacenti.

Sebbene la segnalazione immunitaria sia stata ampiamente studiata, gli scienziati non hanno ancora compreso l’espressione spaziale dei recettori immunitari nei diversi tessuti vegetali. Per molti anni abbiamo ritenuto che tutte le cellule vegetali fossero immunocompetenti. Recentemente, è stato dimostrato che solo un sottoinsieme ristretto di zone radicali di Arabidopsis risponde direttamente alla flagellina MAMP in assenza di danno16,17. La caratterizzazione dettagliata delle cellule vegetali competenti in risposta durante il processo di infezione è necessaria per comprendere i meccanismi che regolano la progressione della malattia.