Puzzling stromule: the enigmatic pathways of plant cellular transport

Plastiden sind pflanzenspezifische Organellen, die in der Lage sind, Stromule zu bilden, hochdynamische Ausstülpungen, die sich von der Oberfläche der Plastiden erstrecken. Diese dynamischen Strukturen sollen die Kommunikation zwischen Organellen und den Transport von Molekülen wie Proteinen, Lipiden und Stoffwechselzwischenprodukten erleichtern. Sie werden unter verschiedenen Stressbedingungen induziert, einschließlich der Exposition gegenüber Hormonen, reaktiven Sauerstoffspezies und Pathogeneffektorproteinen. Trotz früher Beobachtungen, die über ein Jahrhundert zurückreichen, blieb ihre biologische Bedeutung bis zu den jüngsten Fortschritten in der Live-Cell-Imaging-Technik und fluoreszierenden Proteinmarkern unklar. ... mehrObwohl die Bildung und Funktion von Stromule noch unbekannt sind, kann die Bildung von Stromule durch mehrere Faktoren beeinflusst werden, einschließlich der Größe, Identität und Differenzierungszustand der Plastiden. Jüngste Studien haben gezeigt, dass die Überexpression von äußeren Hüllmembranproteinen der Chloroplasten die Morphologie der Chloroplasten erheblich verändern und Stromule induzieren kann. Das Zytoskelett, insbesondere Aktinfilamente und Mikrotubuli, spielt eine entscheidende Rolle bei der Bewegung und Verankerung von Stromule.
Diese Studie zielte darauf ab, die Bedeutung von Stromule in verschiedenen biologischen Prozessen zu klären, mit besonderem Fokus auf ihre Induktion durch MeJA. Wichtige Forschungsfragen umfassen die Bedingungen, die die Produktion von Stromule fördern, die Faktoren, die ihre Bildung und Verlängerung beeinflussen, und die Beziehung zwischen Stromule und Organellen im JA-Biosyntheseweg.
Ergebnisse und Diskussion
• Induktion der Stromulibildung: Die Behandlung mit 100 μM MeJA oder Salicylsäure (SA) erhöhte signifikant die Häufigkeit und Länge der Stromule in BY-2-Zellen, die FP-markierte Plastiden-Außenmembranproteine exprimieren. Der Lipoxygenase-Inhibitor Phenidon blockierte die SA-induzierte Stromulibildung, was auf eine Wechselwirkung zwischen den SA- und JA-Wegen bei der Regulierung der Stromule hinweist.
• Rolle des Zytoskeletts: Die Stromulenbildung war altersabhängig und nahm mit dem Zellalter zu, während sie in aktiv teilenden Zellen unterdrückt war – was auf eine wichtige Rolle der Mikrotubuli hinweist. Die Disruption der Mikrotubuli durch Oryzalin, einem Mikrotubuli-depolarisierenden Wirkstoff, blockierte die MeJA-induzierte Verlängerung von Stromulen effektiv und unterstreicht die kritische Rolle der Mikrotubuli bei diesem Prozess.
• Genexpressionsanalyse: Die Analyse konzentrierte sich auf die differentielle Expression von JA-Biosynthese- und Signalisierungsgenen (AOC, OPR, JAZ1/2/3) in verschiedenen Behandlungen, mit komplexen Wechselwirkungen zwischen MeJA, SA und Zytoskelettstörung. JAZ1 zeigte eine deutliche Induktion als Reaktion auf MeJA, was auf seine hohe Empfindlichkeit gegenüber Jasmonat-Signalisierung hinweist. MeJA-Behandlung regulierte AOC und OPR signifikant hoch, was auf eine robuste Verstärkung des JA-Biosynthesewegs hinweist, während die Vorbehandlung mit Oryzalin differenzielle Expressionsmuster verursachte, die die AOC-Expression verstärkten, während die OPR-Spiegel reduziert wurden. Dies deutet darauf hin, dass die Hemmung der Stromulibildung durch Oryzalin die Genexpression veränderte, was darauf hindeutet, dass Stromule für die Aufrechterhaltung der räumlichen Dynamik, die für eine effiziente JA-Biosynthese erforderlich ist, wesentlich sind.
• Organelle-Kommunikation: Fluoreszenzmikroskopie lieferte weitere Einblicke in die räumliche Dynamik der JA-Biosynthese und zeigte, dass das JA-Biosyntheseprotein JASSY mit Stromule co-lokalisiert, was darauf hindeutet, dass Stromule den Transport von OPDA während der Jasmonat-Biosynthese erleichtern und die Biosyntheseeffizienz erhöhen. Darüber hinaus neigen Peroxisomen dazu, sich um Stromule zu gruppieren, was die Effizienz der Jasmonatproduktion erhöhen könnte, indem die Entfernung, die OPDA zwischen den Organellen zurücklegen muss, minimiert wird. Die schnelle Induktion von Stromule als Reaktion auf MeJA und ihre Assoziation mit JASSY und Peroxisomen deuten auf eine bedeutende Rolle bei der retrograden Signalisierung von Plastiden zum Zellkern hin.
Fazit
Diese Beobachtungen unterstützen ein Modell, bei dem Stromule den Austausch von Metaboliten zwischen Organellen während der JA-Biosynthese und -Signalisierung erleichtern. Diese Studie liefert neue Einblicke in die Regulierung von Stromule durch stressbezogene Phytohormone und ihre potenziellen Rollen in der retrograden Signalisierung und Organellenkommunikation. Die Ergebnisse heben Stromule als dynamische Plattformen zur Koordination zellulärer Stressreaktionen und Hormonbiosynthese hervor.

Plastids are plant-specific organelles capable of forming stromules, highly dynamic projections extending from the plastid surface. These dynamic structures are believed to promote inter-organelle communication and trafficking of metabolites like proteins, lipids, and metabolic intermediates. These are triggered under various stress conditions, including exposure to hormones, reactive oxygen species, and pathogen-effector proteins. Despite early observations dating back over a century, their biological significance remained elusive until recent advancements in live-cell imaging techniques and fluorescent protein markers. ... mehrAlthough, the formation and function of stromules are still unknown. Multiple factors, including plastid size, identity, and state of differentiation, can influence the formation of stromules. Recent studies have shown that overexpression of outer envelope chloroplast membrane proteins can significantly alter chloroplast morphology and induce stromule. The cytoskeleton, particularly actin filaments, and microtubules, plays a crucial role in stromule movement and anchoring.
This study aimed to elucidate the significance of stromules in various biological processes, focusing on their induction by MeJA. Key research questions addressed include the conditions promoting stromule production, factors influencing their formation and elongation, and the relationship between stromules and organelles in the JA biosynthesis pathway.
Results and Discussion
• Induction of Stromule Formation: Treatment with 100 μM MeJA or salicylic acid (SA) significantly increased stromule frequency and length in BY-2 cells expressing FP-tagged plastid outer membrane proteins. The lipoxygenase inhibitor phenidone blocked SA-induced stromule formation, suggesting crosstalk between SA and JA pathways in stromule regulation.
• Role of Cytoskeleton: The formation of stromules was shown to be age-dependent, increasing with cell age but suppressed in actively dividing cells, indicating a crucial role for microtubules. Significantly, the disruption of microtubules using oryzalin, a microtubule-depolymerizing agent, effectively blocked MeJA-induced stromule elongation, highlighting the critical role of microtubules in stromule formation.
• Gene Expression Analysis: The analysis focused on the differential expression of JA biosynthesis and signaling genes (AOC, OPR, JAZ1) in various treatments, with complex interactions between MeJA, SA, and cytoskeletal disruption. JAZ1 showed a marked induction in response to MeJA, indicating its high sensitivity to jasmonate signaling. MeJA treatment significantly upregulated AOC and OPR, indicating a strong enhancement of the JA biosynthesis pathway. In contrast, pretreatment with Oryzalin, caused differential expression patterns, enhancing AOC expression while reducing OPR levels. This suggests that the inhibition of stromule formation by oryzalin altered gene expression, indicating that stromules are essential for maintaining the spatial dynamics necessary for efficient JA biosynthesis.
• Organelle Communication: Fluorescence microscopy provided further insights into the spatial dynamics of JA biosynthesis, showing that the JA biosynthesis protein JASSY co-localizes with stromules, suggesting that stromules facilitate the transport of OPDA during jasmonate biosynthesis and enhance biosynthesis efficiency. Additionally, peroxisomes tend to cluster around stromules, which could enhance the efficiency of jasmonate production by minimizing the distance that OPDA needs to travel between organelles. The rapid induction of stromules in response to MeJA and their association with JASSY and peroxisomes suggest a significant role in retrograde signaling from plastids to the nucleus.
Conclusion
These observations support a model where stromules facilitate inter-organelle metabolite exchange during JA biosynthesis and signaling. This study provides new insights into regulating stromules by stress-related phytohormones and their potential roles in retrograde signaling and organelle communication. The findings highlight stromules as dynamic platforms for coordinating cellular stress responses and hormone biosynthesis.