RALF1 peptide triggers biphasic root growth inhibition upstream of auxin biosynthesis
Li et al. PNAS (2022) 119 (31):e2121058119.
doi:10.1073/pnas.2121058119
Rapid alkalinization factor（RALF）ファミリーペプチドは、細胞外をアルカリ化し、根の成長を抑制するシグナルとして知られている。しかし、アルカリ化と成長阻害の関連性、およびその分子機構は不明な点が多い。オーストリア科学技術研究所のFriml らは、マイクロ流体チップ（vRootchip）と共焦点顕微鏡を用いて、シロイヌナズナ芽生えの根の成長とアポプラスト/サイトゾルのpHを同時に観察した。その結果、RALF1の添加は1分以内に根の成長を阻害してアポプラストをアルカリ化すること、この反応に転写は必要なく可逆的であることが判った。RALF1の受容体FERONIA（FER）が機能喪失したfer-4 変異体の解析から、RALF1による急速な根の成長阻害とアポプラストのアルカリ化はFERを介していることが判った。アルカリ性の培地ではアポプラストがアルカリ化して根の成長が阻害され、酸性の培地では根の成長が促進された。よって、RALF1によるアポプラストのアルカリ化が急速な根の成長阻害を誘導していることが示唆される。fer-4 変異体も外部からのpH操作に対して同様の反応を示すことから、FERはpH変化を感知して反応しているのではなく、RALF1の作用を媒介していると考えられる。このRALF-FERによる急速なアポプラストのアルカリ化と根の成長阻害はオーキシンシグナルによる根の成長阻害と類似している。しかしながら、fer-4 変異体はIAA処理により急速な根の成長阻害を受けることから、オーキシンによる急速な成長阻害はRALF-FERを介してはいないと考えられる。オーキシンシグナル伝達の因子として成長制御に関与している膜貫通キナーゼ（TMK）が機能喪失したtmk1,2 二重変異体の根は、野生型と同じようにRALF1によって成長が阻害され、野生型よりも強くアポプラストがアルカリ化した。TMKによる制御を受けている細胞膜H+-APTaseの活性もRALF-FERによる成長阻害に関与していなかった。オーキシン受容体TIR/AFBが機能喪失したtir 三重変異体も、野生型と同じようにRALF1による根の成長阻害とアポプラストにアルカリ化が起こった。TIR/AFBに結合してシグナル伝達を遮断するオーキシン拮抗物質のPEO-IAAの添加は、RALF1による根の成長阻害を緩和させ、この効果は添加から1時間後に強くなった。さらに、Aux/IAAタンパク質IAA17のドミナントネガティブ型を発現させた形質転換体は、RALF1による根の伸長阻害が1時間後に緩和された。これらの結果から、TIR1/AFBを介したオーキシンシグナルはRALF1による長期的な根の伸長阻害に関与していることが示唆される。tir 三重変異体は、RALF1処理初期には野生型と同程度の感受性を示すが、時間がたつと感受性が低下するという二相性の反応を示した。よって、RALF1は2種類の成長制御の役割を果たしており、オーキシンシグナルはFERを介した急速な応答の後の持続的な成長抑制に関与していると考えられる。オーキシンレポーターを用いた解析から、RALF1はオーキシンシグナルを誘導するが、IAA処理と比較してシグナルの活性化に10分程度の遅れがあることが判った。よって、RALF1は間接的にTIR/AFBオーキシンシグナルを誘導しており、このシグナルがRALF1-FERが誘導する持続的な根の成長阻害を引き起こしていることが示唆される。芽生えをオーキシン生合成阻害剤で前処理することによってRALF1による持続的な根の成長阻害が改善された。また、オーキシン生合成変異体はRALF1による根の成長阻害に対して部分的な抵抗性を示した。このことから、RALF1による持続的な根の成長阻害にはオーキシン生合成が関与していることが示唆される。解析の結果、RALF1はFERに依存してオーキシン生合成酵素遺伝子YUC5 、YUC6 、YUC11 の発現を誘導することが確認された。また、RALF1はFERに依存して根のIAA、IAA異化産物のoxIAA、IAA縮合体のIAAspやIAGluの量を増加させ、IAA前駆体のIPyA量を減少させることが判った。したがって、RALF1-FERはオーキシンの生合成活性を上昇させ、持続的な根の成長抑制に寄与していると考えられる。以上の結果から、RALFとオーキシンシグナルは、それぞれ独立に、急速なアポプラストのアルカリ化と根の成長抑制をもたらすが、持続的な成長抑制に関しては、RALFがFERを介してオーキシンの生合成とシグナルを誘導することで引き起こされていると考えられる。
