The contribution of chloroplasts and endoplasmic reticulum to the plant calcium signalling network

Calcium is a fundamental intracellular messenger involved in a wide range of different signalling pathways in all eukaryotes. In plants, Ca2+ has been shown to participate in the transduction of a large plethora of environmental stimuli of both abiotic and biotic nature. A complex Ca2+ homeostatic and signalling machinery allows for a tight regulation of the intracellular concentration of the ion ([Ca2+]) and its variations during signal transduction. Plant organellar Ca2+ signalling is a rapidly expanding field of investigation that has recently benefited from the availability of novel specifically targeted reporters useful to monitor intracellular Ca2+ dynamics. In this work, the set up of a toolkit of aequorin-based probes targeted to specific chloroplasts subcompartments (thylakoid lumen and thylakoid membrane) allowed for the elucidation of stimulus-specific intra-organellar Ca2+ signals and their contribution to shaping cytosolic Ca2+ signatures. cMCU, a member of the mitochondrial calcium uniporter family, was identified as an ion channel mediating Ca2+ fluxes into chloroplasts and shown to be involved in the transduction of osmotic stress in Arabidopsis. Moreover, the engineering of an aequorin chimera targeted to the endoplasmic reticulum (ER) provided accurate measurements of [Ca2+] in the plant ER, highlighting significant differences with respect to the animal compartment in overall Ca2+ handling. The comparative analysis of Ca2+ dynamics in chloroplasts and ER helped to unravel their functional interplay and integration in the plant Ca2+ signalling network.Il calcio è un messaggero intracellulare di importanza fondamentale coinvolto in un’ampia varietà di vie di segnalazione in tutti gli eucarioti. E’ stato dimostrato che negli organismi vegetali il Ca2+ partecipa alla trasduzione di molteplici segnali ambientali sia di natura abiotica che biotica. Un complesso apparato di omeostasi e signalling del Ca2+ permette una regolazione accurata della concentrazione intracellulare dello ione e delle sue variazioni durante la trasduzione di segnali. La segnalazione mediata da Ca2+ negli organelli vegetali è un campo d’indagine in rapida espansione che ha recentemente tratto vantaggio dalla disponibilità di nuovi indicatori utili al monitoraggio delle dinamiche di Ca2+ intracellulari. In questo lavoro sono stati messe a punto delle sonde basate sulla fotoproteina Ca2+-sensibile equorina indirizzate a specifici subcompartimenti del cloroplasto (il lume tilacoidale e la membrana tilacoidale) che hanno permesso di evidenziare segnali Ca2+ specifici dell’organello in risposta a diversi stimoli ambientali e il loro contributo alla modulazione di “Ca2+ signatures” nel citosol. E’ stato identificato e caratterizzato cMCU, un membro della famiglia dell’uniporto di calcio mitocondriale, in qualità di canale ionico che media flussi calcio nel cloroplasto. In particolare, è stato dimostrato che cMCU è coinvolto nella trasduzione dello stress osmotico in Arabidopsis. Inoltre, la realizzazione di un’equorina chimerica indirizzata al reticolo endoplasmatico (RE) ha permesso di ottenere misurazioni accurate della concentrazione di Ca2+ nel RE vegetale, evidenziando differenze significative con la controparte animale nell’omeostasi e signalling del calcio. L’analisi comparativa delle dinamiche di Ca2+ nei cloroplasti e nel RE ha permesso di chiarire l’interazione funzionale e l’integrazione di questi compartimenti intracellulari nella rete di segnalazione mediata dal Ca2+ nella cellula vegetale