Role of \(Medicago\) \(truncatula\) anion channels in the development of Arbuscular Mycorrhiza and Root Nodule Symbiosis

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 permeability for nitrate compared to chloride. Similarly, to AtSLAH3 coexpression with AtSLAH1 or intracellular acidification rendered MtSLAH2-3A/B independent from phosphorylation via protein kinases and external nitrate. Because S-type anion channels show a high permeability for nitrate, we tested the influence of changes in the extracellular anion concentration on the Nod-LCO induced depolarization. It turned out that the response was accelerated when the concentration gradient for nitrate was decreased. However, increasing the extracellular chloride and sulfate concentrations also enhanced the magnitude of the depolarization, which indicates that other types of anion channels, such as ALMT channels may contribute to the LCO-triggered depolarization of root hairs. The data generated in this project show that the Nod-LCO induced membrane potential change is strongly dependent on the genotype of M. truncatula. This early response in the recognition of symbiotic microorganisms is also induced by sulfated Myc-LCOs, which seem to be perceived via the same receptor system as Nod-LCOs. In contrast to our expectations, the depolarization response to Nod-LCOs is independent of changes in the cytosolic calcium level. Consequently, S-type anion channels, activated solely by calcium-dependent protein kinases are not involved in this response. Interestingly, in contrast to the Arabidopsis SLAH3, the SLAH2-3s from M. truncatula are activated via calcium-independent SnRK2/OST1-like kinases which would allow the activation of the channels even in the absence of calcium transients. Thus, in future studies the expression profile and interaction of calcium-independent protein kinases like SnRK2s and S-type anion channels in M. truncatula should be determined to investigate whether these proteins are capable of activating MtSLAH2-3A/B in a Nod-LCO-specific manner. Moreover, the further analysis of M. truncatula mutants that lack MtSLAH2-3A/B as well as M. truncatula R-type anion channels will be of great interest. These experiments can thus lead to the identification of genes that are involved in early symbiosis-related events, which may explain why only a small group of plants is able to develop root nodules, whereas the interaction with mycorrhiza is found for a large variety of plant species