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Towards a rapid estimation system in calcium signaling
Rocha Clavijo, Daniel M.
Rocha Clavijo, Daniel M.
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Abstract
Plants have receptors on their cell surface capable of recognizing pathogens, triggering an immune response, and activating local or systemic defense. Calcium is one of the primary messengers in this response. The Calcium signature plays a crucial role in encoding and decoding the Calcium signal, enabling changes in cytosolic free Calcium to be maintained at nanomolar amounts. This work is part of the NSF EMBRIO institute and aims to proposes a series of empirical statistical models to represent Calcium signaling in the Arabidopsis plant. The proposed models were applied to a case study analyzing data on Arabidopsis epidermal cell cytosolic calcium levels over time, relating to three neighboring layers of cells: initiator cells (0), standby cell (1), and sub-standby cells (2) response, when the bacterial peptide Flagellin 22 (flg22) is applied. The methodology consists of, i) organizing the elements of the experiment as a system representation (inputs, processes, outputs), ii) fitting empirical statistical models, and iii) evaluating models using the Akaike information criterion (AIC) to select a parsimonious representation. The functional ANOVA with scalar effect as proposed here allows determining the behavior of the average curves of the calcium signal through time for the different neighboring layers of cells and represents a way to explore to model calcium signaling in the Arabidopsis plant. An R Shiny interface was also developed to support this work, as demonstrated here.
Las plantas tienen receptores en la superficie de sus células capaces de reconocer patógenos, desencadenar una respuesta inmune y activar la defensa local o sistémica. El calcio (𝐶𝑎2+) es uno de los principales mensajeros en esta respuesta. La firma de 𝐶𝑎2+ juega un papel crucial en la codificación y decodificación de la señal de 𝐶𝑎2+, lo que permite que los cambios en el 𝐶𝑎2+ libre citosólico se mantengan en cantidades nanomolares. Este trabajo es parte del instituto NSF EMBRIO y tiene como objetivo proponer un menú de modelos estadísticos empíricos para representar la señalización de 𝐶𝑎2+ en la planta de Arabidopsis. Los modelos propuestos se aplicaron a un estudio de caso que analizó datos sobre los niveles de calcio citosólico de células epidérmicas de Arabidopsis a lo largo del tiempo, en relación con tres capas de células: células iniciadoras (0), células standby (1) y células sub-standby (2) respuesta en diferentes capas de células cuando se aplica el péptido bacteriano Flagellin 22 (flg22). La metodología consiste en, i) organizar los elementos del experimento como una representación del sistema (entradas, procesos, salidas), ii) ajustar modelos estadísticos empiricos y iii) evaluar modelos utilizando el criterio de información de Akaike (AIC) para seleccionar una representación parsimoniosa. Finalmente, el ANOVA funcional con efecto escalar permite determinar el comportamiento de las curvas promedio de la señal de 𝐶𝑎2+ a través del tiempo para las diferentes capas de células y es un camino a explorar para modelar la señalización de 𝐶𝑎2+ en la planta Arabidopsis. También se desarrolló una interfaz R Shiny para respaldar este trabajo.
Las plantas tienen receptores en la superficie de sus células capaces de reconocer patógenos, desencadenar una respuesta inmune y activar la defensa local o sistémica. El calcio (𝐶𝑎2+) es uno de los principales mensajeros en esta respuesta. La firma de 𝐶𝑎2+ juega un papel crucial en la codificación y decodificación de la señal de 𝐶𝑎2+, lo que permite que los cambios en el 𝐶𝑎2+ libre citosólico se mantengan en cantidades nanomolares. Este trabajo es parte del instituto NSF EMBRIO y tiene como objetivo proponer un menú de modelos estadísticos empíricos para representar la señalización de 𝐶𝑎2+ en la planta de Arabidopsis. Los modelos propuestos se aplicaron a un estudio de caso que analizó datos sobre los niveles de calcio citosólico de células epidérmicas de Arabidopsis a lo largo del tiempo, en relación con tres capas de células: células iniciadoras (0), células standby (1) y células sub-standby (2) respuesta en diferentes capas de células cuando se aplica el péptido bacteriano Flagellin 22 (flg22). La metodología consiste en, i) organizar los elementos del experimento como una representación del sistema (entradas, procesos, salidas), ii) ajustar modelos estadísticos empiricos y iii) evaluar modelos utilizando el criterio de información de Akaike (AIC) para seleccionar una representación parsimoniosa. Finalmente, el ANOVA funcional con efecto escalar permite determinar el comportamiento de las curvas promedio de la señal de 𝐶𝑎2+ a través del tiempo para las diferentes capas de células y es un camino a explorar para modelar la señalización de 𝐶𝑎2+ en la planta Arabidopsis. También se desarrolló una interfaz R Shiny para respaldar este trabajo.
Description
Date
2023-05-10
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Keywords
Calcium signaling, Flagellin22, Akaike Information Criterion, Functional ANOVA, Shiny R.