Higher plants take up nutrients via the roots and load them into xylem vessels for translocation to the shoot. After uptake, anions have to be channeled toward the root xylem vessels. Thereby, xylem ...parenchyma and pericycle cells control the anion composition of the root-shoot xylem sap 1–6. The fact that salt-tolerant genotypes possess lower xylem-sap Cl− contents compared to salt-sensitive genotypes 7–10 indicates that membrane transport proteins at the sites of xylem loading contribute to plant salinity tolerance via selective chloride exclusion. However, the molecular mechanism of xylem loading that lies behind the balance between NO3− and Cl− loading remains largely unknown. Here we identify two root anion channels in Arabidopsis, SLAH1 and SLAH3, that control the shoot NO3−/Cl− ratio. The AtSLAH1 gene is expressed in the root xylem-pole pericycle, where it co-localizes with AtSLAH3. Under high soil salinity, AtSLAH1 expression markedly declined and the chloride content of the xylem sap in AtSLAH1 loss-of-function mutants was half of the wild-type level only. SLAH3 anion channels are not active per se but require extracellular nitrate and phosphorylation by calcium-dependent kinases (CPKs) 11–13. When co-expressed in Xenopus oocytes, however, the electrically silent SLAH1 subunit gates SLAH3 open even in the absence of nitrate- and calcium-dependent kinases. Apparently, SLAH1/SLAH3 heteromerization facilitates SLAH3-mediated chloride efflux from pericycle cells into the root xylem vessels. Our results indicate that under salt stress, plants adjust the distribution of NO3− and Cl− between root and shoot via differential expression and assembly of SLAH1/SLAH3 anion channel subunits.
•Arabidopsis anion channels SLAH1 and SLAH3 co-localize in xylem-pole pericycle cells•SLAH1 and SLAH3 assemble to chloride-conducting heteromeric channels•Soil salinity decreases SLAH1 expression, leading to Cl− exclusion from the shoot•SLAH1 represents a promising candidate for engineering salinity-tolerant plants
Cubero-Font, Maierhofer, et al. report that plants adjust the ratio between Cl− and NO3− in the shoot via heteromerization of Arabidopsis SLAH1/SLAH3 anion channel subunits. Differential expression of SLAH1 controls Cl− fluxes to the shoot without affecting the uptake of NO3−, making SLAH1 a promising target for engineering salinity-tolerant plants.
Arbuscular Mycorrhiza and Root Nodule Symbiosis are symbiotic interactions with a high benefit for plant growth and crop production. Thus, it is of great interest to understand the developmental ...process of these symbioses in detail. We analysed very early symbiotic responses of Medicago truncatula root hair cells, by stimulation with lipochitinoligosaccharides specific for the induction of nodules (Nod-LCOs), or the interaction with mycorrhiza (Myc-LCOs). Intracellular micro electrodes were used, in combination with Ca2+ sensitive reporter dyes, to study the relations between cytosolic Ca2+ signals and membrane potential changes. We found that sulfated Myc- as well as Nod-LCOs initiate a membrane depolarization, which depends on the chemical composition of these signaling molecules, as well as the genotype of the plants that were studied. A successive application of sulfated Myc-LCOs and Nod-LCOs resulted only in a single transient depolarization, indicating that Myc-LCOs can repress plasma membrane responses to Nod-LCOs. In contrast to current models, the Nod-LCO-induced depolarization precedes changes in the cytosolic Ca2+ level of root hair cells. The Nod-LCO induced membrane depolarization thus is most likely independent of cytosolic Ca2+ signals and nuclear Ca2+ spiking.
Celotno besedilo
Dostopno za:
DOBA, IZUM, KILJ, NUK, PILJ, PNG, SAZU, SIK, UILJ, UKNU, UL, UM, UPUK
Förster resonance energy transfer (FRET) measurements between two dyes is a powerful method to interrogate both structure and dynamics of biopolymers. The intensity of a fluorescence signal in a FRET ...measurement is dependent on both the distance and the relative orientation of the dyes. The latter can at the same time both complicate the analysis and give more detailed information. Here we present a detailed spectroscopic study of the energy transfer between the rigid FRET labels
Ç
m
f
(donor) and
tC
nitro
(quencher/acceptor) within the neomycin aptamer N1. The energy transfer originates from multiple emitting states of the donor and occurs on a low picosecond to nanosecond time-scale. To fully characterize the energy transfer, ultrafast transient absorption measurements were performed in conjunction with static fluorescence and time-correlated single photon counting (TCSPC) measurements, showing a clear distance dependence of both signal intensity and lifetime. Using a known NMR structure of the ligand-bound neomycin aptamer, the distance between the two labels was used to estimate
κ
2
and, therefore, make qualitative statements about the change in orientation after ligand binding with unprecedented temporal and spatial resolution. The advantages and potential applications of absorption-based methods using rigid labels for the characterization of FRET processes are discussed.
A methodological analysis of FRET data from a new pair of modified nucleobases,
Ç
m
f
and
tC
nitro
, for energy transfer in RNA aptamers. The limitations and strengths of different methods are highlighted, depending on the energy transfer time scale.
Bei der arbuskulären Myorrhiza-Symbiose (AM) und der Wurzelknöllchen-Symbiose (RNS) handelt es sich um symbiotische Interaktionen, die einen großen Vorteil für Pflanzenwachstum und kultivierung mit ...sich bringen. Während bei der AM Pilze die Pflanze mit verschiedenen Nährstoffen aus dem Boden versorgen, stellen die in den Wurzelknöllchen lokalisierten Rhizobien der Pflanze fixierte Stickstoffverbindungen zur Verfügung. Folglich ist es von großem Interesse, die Entwicklung dieser Symbiosen im Detail zu verstehen.
Für die Erkennung der arbuskulären Mykorrhiza-Pilze und der Stickstoff-fixierenden Rhizobien durch die Pflanze sind lösliche symbiotische Signalmoleküle essentiell, die zu der Gruppe der Lipochitinoligosaccharide (LCOs) gehören. Während der Entwicklung der AM und der RNS erkennen die Pflanzenwurzeln diese LCOs über Lysin-Motiv-Rezeptor-ähnliche Kinasen der Plasmamembran. Eine der ersten Antworten der Wurzelzellen auf Nod-LCOs ist eine Depolarisierung des Membranpotentials. An dieser Antwort sind mit großer Wahrscheinlichkeit Anionenkanäle der Plasmamembran beteiligt, da sie auch bei Depolarisierungen als Antwort auf andere Stimuli bzw. Stressantworten involviert sind.
In Arabidopsis stellt die S-Typ-Familie eine bedeutende Gruppe von Anionenkanälen dar, die von Calcium-abhängigen Kinasen (CPKs) aktiviert werden. Da Nod-LCOs repetitive Veränderungen des zytosolischen Calcium-Levels induzieren, wurde in dieser Arbeit die Hypothese aufgestellt, dass Calcium-Signale CPKs aktivieren. CPKs sorgen im Gegenzug für die Stimulation von S-Typ-Anionenkanälen in Wurzelzellen.
Die Änderungen des Membranpotentials in M. truncatula-Wurzelhaarzellen als Antwort auf Nod- und Myc-LCOs wurden mittels intrazellulärer Mikroelektroden analysiert. Es wurde gezeigt, dass Nod-LCOs in M. truncatula-Wurzelhaarzellen eine Depolarisierung des Membranpotentials induzieren. Doch Wurzelhaarzellen reagieren nicht nur auf Nod-LCOs. So konnte in dieser Studie zum ersten Mal eine Depolarisierung als Antwort auf sulfatisierte Myc-LCOs nachgewiesen werden. Eine zweite Gruppe von Myc-LCOs, denen die Sulfatgruppe fehlt, löste keine Reaktion des Membranpotentials aus. Diese Daten deuten darauf hin, dass Wurzelhaarzellen für die Erkennung von sulfatisierten LCOs von symbiotischen Pilzen und Bakterien dasselbe Perzeptionssystem nutzen. Diese Schlussfolgerung wird von Experimenten unterstützt, in denen vor der Stimulation durch Nod-LCOs ein sulfatisierter Myc-LCO hinzugegeben wurde. Diese sukzessive Zugabe von zwei Stimuli führte zu einer einzigen Depolarisierung. Die sulfatisierten Myc-LCOs unterdrückten die Antwort des Membranpotentials auf Nod-LCOs.
Die Beziehung zwischen Nod-LCO-induzierten zytosolischen Calcium-Signalen und Änderungen des Membranpotentials wurde mit einer Kombination aus intrazellulären Mikroelektroden und Imaging eines Calcium-sensitiven Fluoreszenzfarbstoffs analysiert. In Messungen der zytosolischen Calcium-Konzentration wurde keine transiente Zunahme innerhalb der ersten vier Minuten nach der Applikation der Nod-LCOs beobachtet. Die durch Nod-LCOs induzierten Depolarisierungen traten früher auf und erreichten ihr Maximum normalerweise nach drei Minuten. Demnach geht die Depolarisierung des Membranpotentials den zytosolischen Calcium-Signalen voraus. Diese Beobachtung wurde von simultanen Messungen beider Antworten bestätigt.
Um der Möglichkeit einer Beteiligung von S-Typ-Anionenkanälen an der LCO-abhängigen Depolarisierung nachzugehen, wurden zwei in den Wurzeln exprimierte M. truncatula-Orthologe der AtSLAC1-Anionenkanal-Familie identifiziert. Die klonierten Anionenkanäle, MtSLAC1, MtSLAH2-3A und MtSLAH2-3B zeigten bei der Untersuchung in Xenopus-Oozyten die typischen Charakteristika von S-Typ-Anionenkanälen. So konnte gezeigt werden, dass MtSLAH2-3A und MtSLAH2-3B eine Proteinkinase sowie externes Nitrat zur Aktivierung benötigen. Außerdem zeichnen sie sich durch eine sehr viel höhere Permeabilität für Nitrat im Vergleich zu Chlorid aus. Ähnlich wie bei AtSLAH3 macht eine Koexpression mit AtSLAH1 genau wie eine intrazelluläre Azidifikation MtSLAH2-3A und MtSLAH2-3B zu Anionenkanälen, die unabhängig von externem Nitrat und einer Phosphorylierung durch eine Proteinkinase aktiv sind.
Weil S-Typ-Anionenkanäle eine hohe Permeabilität für Nitrat aufweisen, wurde der Einfluss von Änderungen der extrazellulären Anionenkonzentration auf die Nod-LCO-induzierte Depolarisierung analysiert. Es stellte sich heraus, dass eine Verringerung der extrazellulären Nitratkonzentration die Antwort beschleunigt. Eine Erhöhung der extrazellulären Chlorid- und Sulfatkonzentration hingegen führte zu einer Verstärkung der Depolarisierung. Diese Beobachtung spricht dafür, dass andere Anionenkanal-Typen wie ALMT-Kanäle an der Depolarisierung des Membranpotentials durch LCOs beteiligt sind.
Die Daten dieser Arbeit zeigen eine Abhängigkeit der Nod-LCO-induzierten Änderungen des Membranpotentials vom M. truncatula-Genotyp. Neben Nod-LCOs lösen auch sulfatisierte Myc-LCOs eine Depolarisierung des Membranpotentials aus. Vermutlich werden sulfatisierte Nod- und Myc-LCOs von demselben Rezeptorsystem erkannt. Die Nod-LCO-induzierte Depolarisierung ist unabhängig von Änderungen des zytosolischen Calcium-Levels. Folglich sind in die Depolarisierung keine S-Typ-Anionenkanäle involviert, die ausschließlich durch Calcium-abhängige Protein-Kinasen aktiviert werden. Interessanterweise lassen sich die MtSLAH2-3-Anionenkanäle aus M. truncatula im Gegensatz zu AtSLAH3 von Calcium-unabhängigen SnRK2/OST1-Proteinkinasen aktivieren. Dies ermöglicht die Aktivierung der MtSLAH2-3-Anionenkanäle in Abwesenheit eines Calcium-Signals.
In weiterführenden Studien sollten die Genexpressionsprofile von Calcium-unabhängigen Proteinkinasen wie SnRK2 und S-Typ-Anionenkanälen aus M. truncatula sowie deren Interaktionen untersucht werden. So könnte eine Aussage darüber getroffen werden, ob diese Proteinkinasen die Anionenkanäle MtSLAH2-3 Nod-LCO-spezifisch aktivieren. Außerdem wäre es von großem Interesse, verschiedene M. truncatula-Mutanten zu untersuchen, denen Gene für MtSLAH2-3A, MtSLAH2-3B und R-Typ-Anionenkanäle fehlen. Diese Experimente könnten zur Identifizierung von Genen führen, die an der frühen Entwicklung der Symbiose beteiligt sind und erklären, warum nur eine kleine Gruppe von Pflanzen dazu in der Lage ist, eine RNS einzugehen, während die AM im Pflanzenreich weit verbreitet ist.
Arbuscular Mycorrhiza (AM) and Root Nodule Symbiosis (RNS) are symbiotic interactions with a high benefit for plant growth and crop production. In the soil, AM fungi supply the plant with a broad range of nutrients, whereas the rhizobium bacteria in the root nodules provide fixed nitrogen sources. Thus, it is of great interest to understand the developmental process of these symbiotic interactions.
For recognition of AM fungi and nitrogen-fixing bacteria by plants, diffusible symbiotic signals are essential, which belong to the group of lipochitinoligosaccharides (LCOs). During the development of AM and RNS, plant roots sense these LCOs with pairs of lysin motiv domain receptor-like kinases that are located in the plasma membrane. One of the earliest Nod-LCO-triggered responses of root cells represents the depolarization of the plasma membrane. It is likely that plasma membrane anion channels are essential for this reaction, as these channels are required for depolarization in response to a number of other stimuli/stress responses.
In Arabidopsis, the S-type family is a prominent group of anion channels that are activated by calcium-dependent Protein Kinases (CPKs). As Nod-LCOs can trigger repetitive elevations of the cytosolic calcium level, we hypothesized that calcium signals activate CPKs, which in turn stimulate S-type anion channels in root cells.
The membrane potential changes of M. truncatula root hair cells in response to Nod- and Myc-LCOs were analyzed by using intracellular micro electrodes. In accordance with previous studies in M. sativa, Nod-LCOs evoked a membrane depolarization in root hairs cells of M. truncatula. Root hair cells not only were sensitive to Nod-LCOs, but for the first time a depolarization response was also shown in response to sulphated Myc-LCOs. However, a second group of Myc-LCO-signals, which lack the sulfate group, did not initiate any reaction of the membrane potential. These data thus suggest that root hair cells use the same perception system to sense sulfated LCOs of symbiotic fungi and bacteria. This conclusion was supported by experiments in which a sulfated Myc-LCO was applied, prior to stimulation with Nod LCOs. This successive application of two stimuli resulted only in a single transient depolarization, as sulfated Myc-LCOs repressed plasma membrane responses to Nod-LCOs.
The relations between Nod-LCO-induced cytosolic calcium signals and membrane potential changes were studied with a combination of intracellular micro electrodes and calcium sensitive reporter dye imaging. In measurements of the cytosolic calcium concentration the first transient increase was not observed within four minutes after application of Nod-LCOs. Nod-LCO-induced depolarizations occurred earlier and normally peaked after three minutes. In contrast to current models as well as the initial hypothesis of this project, the membrane depolarization thus precedes the cytosolic calcium signals, which was confirmed by simultaneous measurement of both responses.
As S-type anion channels are good candidates for the induction of the LCO-dependent depolarization, we indentified two root-expressed M. truncatula orthologues of AtSLAC1-family. The cloned S-type anion channels, MtSLAC1, MtSLAH2-3A and MtSLAH2-3B showed typical characteristics of S-type anion channels, when studied in Xenopus oocytes. Thereby we could show that both M. truncatula anion channels, MtSLAH2-3A and MtSLAH2-3B, need a protein kinase and external nitrate for activation. They are characterized by a much higher perm
The burden of bloodstream infections remains high worldwide and cannot be confined to short-term in-hospital mortality. We aimed to develop scores to predict short-term and long-term mortality in ...patients with bloodstream infections.
The Bloodstream Infection due to Multidrug-resistant Organisms: Multicenter Study on Risk Factors and Clinical Outcomes (BLOOMY) study is a prospective, multicentre cohort study at six German tertiary care university hospitals to develop and validate two scores assessing 14-day and 6-month mortality in patients with bloodstream infections. We excluded patients younger than 18 years or who were admitted to an ophthalmology or psychiatry ward. Microbiological, clinical, laboratory, treatment, and survival data were prospectively collected on day 0 and day 3 and then from day 7 onwards, weekly. Participants were followed up for 6 months. All patients in the derivation cohort who were alive on day 3 were included in the analysis. Predictive scores were developed using logistic regression and Cox proportional hazards models with a machine-learning approach. Validation was completed using the C statistic and predictive accuracy was assessed using sensitivity, specificity, and predictive values.
Between Feb 1, 2017, and Jan 31, 2019, 2568 (61·5%) of 4179 eligible patients were recruited into the derivation cohort. The in-hospital mortality rate was 23·75% (95% CI 22·15–25·44; 610 of 2568 patients) and the 6-month mortality rate was 41·55% (39·54–43·59; 949 of 2284). The model predictors for 14-day mortality (C statistic 0·873, 95% CI 0·849–0·896) and 6-month mortality (0·807, 0·784–0·831) included age, body-mass index, platelet and leukocyte counts, C-reactive protein concentrations, malignancy (ie, comorbidity), in-hospital acquisition, and pathogen. Additional predictors were, for 14-day mortality, mental status, hypotension, and the need for mechanical ventilation on day 3 and, for 6-month mortality, focus of infection, in-hospital complications, and glomerular filtration rate at the end of treatment. The scores were validated in a cohort of 1023 patients with bloodstream infections, recruited between Oct 9, 2019, and Dec 31, 2020. The BLOOMY 14-day score showed a sensitivity of 61·32% (95% CI 51·81–70·04), a specificity of 86·36% (83·80–88·58), a positive predictive value (PPV) of 37·57% (30·70–44·99), and a negative predictive value (NPV) of 94·35% (92·42–95·80). The BLOOMY 6-month score showed a sensitivity of 69·93% (61·97–76·84), a specificity of 66·44% (61·86–70·73), a PPV of 40·82% (34·85–47·07), and a NPV of 86·97% (82·91–90·18).
The BLOOMY scores showed good discrimination and predictive values and could support the development of protocols to manage bloodstream infections and also help to estimate the short-term and long-term burdens of bloodstream infections.
DZIF German Center for Infection Research.
For the German translation of the abstract see Supplementary Materials section.
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