Il peptide CLE33 reprime la differenziazione del floema tramite segnalazione autocrina e paracrina in Arabidopsis

Jul 23, 2023

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 588 (2023) Citare questo articolo

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I meristemi vegetali richiedono un apporto costante di fotoassimilati e ormoni alle cellule meristematiche in divisione. Nella radice in crescita tale apporto viene fornito dagli elementi crivellanti del protofloema. A causa della sua funzione preminente per il meristema apicale della radice, il protofloema è il primo tessuto a differenziarsi. Questo processo è regolato da un circuito genetico che coinvolge da un lato i regolatori positivi dei fattori di trascrizione DOF, OCTOPUS (OPS) e BREVIX RADIX (BRX), e dall’altro i regolatori negativi i peptidi CLAVATA3/EMBRYO SURROUNDING REGION RELATED (CLE) e i loro recettori affini QUASI NESSUNA chinasi simile al recettore MERISTEM (BAM). I mutanti brx e ops ospitano un protofloema discontinuo che può essere completamente salvato dalla mutazione in BAM3, ma viene salvato solo parzialmente quando tutti e tre i geni CLE specifici del floema noti, CLE25/26/45, vengono simultaneamente mutati. Qui identifichiamo un gene CLE strettamente correlato a CLE45, denominato CLE33. Mostriamo che il doppio mutante cle33cle45 sopprime completamente il fenotipo del protofloema brx e ops. Gli ortologi CLE33 si trovano nelle angiosperme basali, nelle monocotiledoni e negli eudicotiledoni, e la duplicazione del gene che ha dato origine a CLE45 in Arabidopsis e altre Brassicaceae sembra essere un evento recente. Abbiamo così scoperto il gene CLE dell'Arabidopsis precedentemente non identificato che svolge un ruolo essenziale nella formazione del protofloema.

Nelle piante vascolari, i tessuti del floema trasportano zuccheri e molecole di segnalazione per affondare gli organi destinati alla crescita e allo stoccaggio1,2. Nella radice di Arabidopsis in crescita, il meristema apicale della radice è un grande pozzo e due poli del floema, contenenti elementi funzionali setacci, scaricano la linfa del floema nella regione meristematica3. Ciascun polo è costituito da un elemento crivello protofloema, fiancheggiato da due celle periciclo del polo floema dall'esterno, e un elemento crivello metafloema dall'interno, e due celle complementari adiacenti a queste celle elemento crivello. Questa struttura complessa funge da unità funzionale4. Sorprendentemente, il trasporto di zuccheri e ormoni al meristema della radice è mediato unicamente dagli elementi crivellanti del protofloema, mentre gli elementi crivellanti del metafloema rimangono indifferenziati in questa regione della radice5.

Il processo di formazione dell'elemento stacciante del protofloema richiede modifiche cellulari radicali, tra cui il rinforzo della parete cellulare, l'enucleazione e la formazione della piastra stacciata6,7. Il controllo genetico dello sviluppo del protofloema nell'Arabidopsis è stato studiato intensamente nell'ultimo decennio4,6,8,9,10,11, inclusa l'analisi trascrittomica precisa dell'intero polo floema4 e lo sviluppo degli elementi cribrosi6. La differenziazione del protofloema è controllata da molteplici regolatori, come gradienti ormonali, fattori di trascrizione DOF e repressori trascrizionali SMXL9,12. Inoltre, due proteine ​​localizzate sulla membrana, BREVIS RADIX (BRX) e OCTOPUS (OPS) agiscono come regolatori positivi dello sviluppo del protofloema8,10. I mutanti con perdita di funzione brx e ops mostrano un protofloema discontinuo, caratterizzato dalle cosiddette cellule gap che non riescono a differenziarsi. La continuità interrotta del protofloema determina un ridotto apporto di linfa del floema al meristema apicale della radice e una crescita limitata delle radici8,10. BARELY ANY MERISTEM 3 (BAM3) è stato identificato in uno schermo di soppressore di brx con bam3 che salva sia la crescita delle radici che i fenotipi di cellule gap di brx e ops10. BAM3 codifica per una chinasi del recettore ripetuto ricco di leucina (LRR-RLK), un recettore affine del peptide CLAVATA3/EMBRYO SURROUNDING REGION 45 (CLE45)13. Sebbene sia stato recentemente dimostrato che un mutante di ordine superiore dei geni CLE espressi nel floema (CLE25/26/45) salva parzialmente il fenotipo delle cellule brx e ops gap, questo salvataggio non è al livello del salvataggio completo ottenuto in bam314. Questa discrepanza fenotipica tra il recettore e i suoi ligandi suggerisce che restano da identificare ulteriori peptidi CLE endogeni, ligandi BAM3.

I peptidi CLE sono prodotti da un pre-propeptide di circa 100 aminoacidi che possiede un peptide segnale nel suo N-terminale per il rilascio apoplastico, una regione centrale variabile e un dominio CLE conservato di 12-13 residui nel suo C-terminale, che viene tagliato disattivato per rilasciare il peptide CLE maturo. Date le dimensioni ridotte dei geni CLE e l'elevata variabilità della sequenza al di fuori del dominio CLE, l'annotazione del genoma dei geni CLE può essere impegnativa. In Arabidopsis, le loro scoperte provenivano inizialmente da uno schermo mutante15,16, in seguito alla clonazione di CLV317. Il primo rilascio del genoma dell'Arabidopsis18 ha consentito l'identificazione di ulteriori membri della famiglia CLE in diverse iterazioni19,20,21,22,23. Ad oggi, 32 geni CLE sono annotati che codificano per 27 peptidi unici. Recentemente abbiamo esplorato la famiglia dei geni CLE nel pomodoro e abbiamo trovato 37 nuovi geni CLE24, sollevando la questione se rimangano da scoprire ulteriori geni CLE nell'Arabidopsis.