論文）アブシジン酸による二次細胞壁の肥厚

Abscisic acid regulates secondary cell-wall formation and lignin deposition in Arabidopsis thaliana through phosphorylation of NST1
Liu et al.  PNAS (2021) 118:e2010911118.
doi:10.1073/pnas.2010911118

二次細胞壁（SCW）の沈着はストレスに応答した過程であり、様々な外部要因（日長、温度）や内部要因（植物ホルモン）および両者の相互作用によって制御されている。アブシジン酸（ABA）はSCW形成に関与していることが知られているが、その詳細は明らかではない。米国 ノース・テキサス大学のDixon らは、Arabidopsis eFP Browserから、維管束組織が豊富でSCWが肥厚するシロイヌナズナ花序茎第二節間ではABA生合成に関与しているABA2 、ABAシグナル伝達に関与しているSnRK2.2 とSnRK2.6 の転写産物が高蓄積していることを見出した。そこで、aba2 変異体、snrk2.2/3/6 三重変異体のSCWを調査したところ、これらの変異体では木部導管や木部繊維のSCW沈着や木化が低下して細胞壁が薄くなり、リグニン、結晶セルロース、キシロースの含量が減少していることが判った。したがって、ABAの生合成とシグナル伝達の障害はSCWの沈着と組成に変化をもたらすと考えられる。aba2 変異体では、SCWに関連する13の遺伝子の転写産物量が減少しており、snrk2.2/3/6 三重変異体においても減少傾向が見られたが、一部の遺伝子（SND1 、CesA4 、CesA7 ）は転写産物量が増加していた。ABA生合成の律速酵素をコードするNCED を過剰発現させた形質転換体は、SCWに変化は見られなかったが、SCW関連遺伝子の発現量は増加していた。このことから、ABAを介したSCW沈着制御には転写後調節機構が関与していることが示唆される。そこで、SnRK2によってリン酸化されるターゲットを探索したところ、以前にSCW生合成を制御するNACファミリー転写因子として見出されたNAC SECONDARY WALL THICKENING PROMOTING FACTOR 1（NST1）のSer-316がSnRK2.2/3/6によってリン酸化されることが判明した。NST1とSECONDARY WALL-ASSOCIATED NAC DOMAIN 1（SND1）は機能重複しており、T-DNA挿入により両者が機能喪失したnst1/snd1 二重変異体は茎が枝垂れてしまうが、NST1 を発現させることで表現型が回復した。しかし、NST1(S316A）を発現させても表現型は回復しなかった。したがって、NST1はSCWの肥厚を正に制御していると考えられる。NST1はMYB46 、MYB83 、NST1 のプロモーター領域に結合して発現を活性化するが、snrk2.2/3/6 変異体やNST1(S316A）を発現させた個体ではこれらの遺伝子の発現活性化が低下していた。NST1が発現制御しているMYB46 やPAL4 の発現はABA処理によって増加するが、snrk2.2/3/6 変異体では増加は見られなくなり、nst1/snd1 二重変異体では増加が低減した。NST1 を発現させたnst1/snd1 二重変異体はABA処理によるMYB46 、PAL4 の発現誘導が野生型と同等にまで回復したが、NST1(S316A）の発現では回復は見られなかった。したがって、SnRK2.2/3/6によるリン酸化を介したNST1の活性化はABAシグナルと関連していることが示唆される。NST1のリン酸化部位は双子葉植物において保存されていた。以上の結果から、植物はアブシジン酸シグナルの正の制御因子のSnRK2を介して二次細胞壁形成のマスタースイッチであるNST1をリン酸化/活性化して細胞壁を肥厚させることで乾燥耐性を獲得していると考えられる。

論文）RNAの長距離移動

Unidirectional movement of small RNAs from shoots to roots in interspecific heterografts
Li et al.  Nature Plants (2021) 7:50-59.
doi:10.1038/s41477-020-00829-2

RNAの長距離移動は植物の成長や環境応答にとって重要であるが、離れた組織間の移動の程度、その相対的な大きさ、機能的な重要性は、ゲノムスケールではまだ解明されていない。米国 パデュー大学のMa らは、ダイズ（Glycine max ）とインゲンマメ（Phaseolus vulgaris ）の接ぎ木を組み合わせ、シュートと根の間のRNAの移動を調査した。その結果、16～26 ヌクレオチドの小分子RNA（sRNA）が合計75512個得られた。そのうち、21141個（28.0 %）がダイズ由来の sRNA（Gm-sRNA）であり、19885個（26.3 %）がインゲンマメ由来の sRNA（Pv-sRNA）であった。残りの sRNA は、ダイズとインゲンマメの両方の参照ゲノムに完全にマッピングされていたため、特定することができなかった。21141個のGm-sRNAのうち、4223個はGm/Pv（ダイズ穂木をインゲンマメ台木に接いだ）植物の根で検出され、Pv/Gm植物のシュートでは検出されなかったことから、シュートから根へ移動するGm-sRNAと定義した。そして、Gm/Pv植物の根とPv/Gm植物のシュートで検出された両方向へ移動するGm-sRNAは1個見出された。19885個のPv-sRNAのうち、7063個はシュートから根へ移動するsRNAで、4個は根からシュートへ移動するsRNAであった。これらの移動性Gm-sRNAとPv-sRNAの合計は、両種の間で区別できるsRNAの27.5%を占めていた。4224個のGm-sRNAのうち1214個（28.7 %）はheterochromatic small interfering RNA（Gm-hcsiRNA）で、Gm/Pv植物の根でのみ検出された。同様に、7067個のPv-sRNAのうち4018個（56.9 %）はPv-hcsiRNAで、Pv/Gm植物の根でのみ検出された。よって、移動性hcsiRNAはシュートから根に移動することはできるが、その逆はできないことが示唆される。1214個のシュートから根へ移動するGm-hcsiRNAのうち68（5.6 %）個のみがPv/Gm植物の根で検出され、その量はGm/Gm植物よりも非常に少なくなっていた。同様に、4018個のシュートから根へ移動するPv-hcsiRNAのうち135（3.4 %）個のみがGm/Pv植物の根で検出され、その量はPv/Pv植物の根よりも非常に少なくなっていた。よって、移動性hcsiRNAは主にシュートで生産され、根では生合成が抑制されていると考えられる。マイクロRNA（miRMA）については、miRNA-5pとmiRNA-3pを含めて合計622個得られ、161個がGm-miRNA、72個がPv-miRNA、389個はダイズとインゲンマメで同一配列のmiRNAであった。161個のGm-miRNAのうち、67個はシュートから根へ移動し、1個は両方向へ移動、残りの93個は不動性であった。72個のPv-miRNAのうち、33個はシュートから根へ移動し、残り39個は不動性であった。シュートから根へ移動する67個のGm-miRNAのうち4（6.0 %）個、33個のPv-miRNAのうち14（42.4 %）個は、それぞれの根においても検出されたが、その量は非常に少なかった。よって、移動性miRNAは主にシュートで生産され、根ではmiRNAの生産が抑制されていると考えられる。本研究で見出された移動性miRNAのうち6個（miR116i、miR1509a、miR1510a、miR1510b、miR5770a、miR5770b）は、両種でシュートから根へ移動することが確認された。67個の移動性Gm-miRNAのうち32個、33個の移動性Pv-miRNAのうち10個はターゲットとなるmRNAを分解し、遺伝子制御をしていることが判った。次に、phased secondary small interfering RNA（phasiRNA）の移動性について調査した。61個のGm-phasiRNAのうち23個はシュートから根へ移動し、38個は不動性であった。18個のPv-phasiRNAのうち14個はシュートから根へ移動し、4個は不動性であった。シュートから根へ移動する23個のGm-phasiRNAのうち1個、14個のPv-phasiRNAのうち4個は、根においても僅かに合成されていた。よって、移動性phasiRNAは主にシュートで生産され、根での生産は抑制されていると考えられる。デグラドーム解析から移動性phasiRNAの幾つかはターゲットｍRNAが見出された。一方で、多くの移動性mRNAは、シュートと根の両方で転写され、移動するmRNAはシュートや根で転写されるmRNAのごく一部であった。以上の結果から、小分子RNAの移動の調節機構はmRNAの移動調節機構とは異なり、小分子RNAの方がより厳密に調節されており、おそらく、mRNAの移動よりも機能的に重要であることが示唆される。

論文）根はエチレン拡散を介して土壌の圧縮度を検知する

Plant roots sense soil compaction through restricted ethylene diffusion
Pandey et al.  Science (2021) 371:276-280.
doi: 10.1126/science.abf3013

根は圧縮された土壌に応答して成長が止まるが、その機構については明らかとなっていない。英国 ノッティンガム大学のBennett らは、圧縮された土壌では土壌の間隙空間が減少しているので根から放出されたエチレンの濃度が上昇するのではないかと考えた。そこで、エチレン応答レポーターとしてEIN3-GFPを発現するシロイヌナズナの根端部をガス不透過性のバリアで覆ったところ、根の伸長領域細胞核ののEIN3-GFP蛍光が増加した。このガスバリアは低酸素レポーター遺伝子の発現は誘導しなかった。したがって、EIN3-GFPの誘導は低酸素によるものではなく、自らが放出するエチレンの拡散抑制によるものであると考えられる。圧縮土壌はイネの根の表皮細胞の長さを1/3に減少させ、皮層細胞の直径を3倍増加させた。同様に、エチレン処理は表皮細胞を短くし皮層細胞の直径を増加させることで、根の長さを減少させ幅を増加させた。一方で、エチレン非感受性イネ変異体のosein2 とoseil1 の根は、野生型とは異なり、圧縮土壌を貫通して伸長した。この時、表皮細胞は正常に伸長し、皮層細胞の径方向の膨張も見られなかった。圧縮土壌に対する皮層細胞の成長変化は、シロイヌナズナのエチレン非感受性変異体etr1 においても見られなかった。また、圧縮土壌で育成したイネとシロイヌナズナのエチレン非感受性変異体は野生型よりもシュートと根のバイオマスが増加した。野生型イネの根端部は圧縮土壌によって径方向の成長が誘導され平らな形となったが、osein2 変異体の根端部ではそのような変化は起こらなかった。したがって、圧縮土壌での根の形状変化は機械的障害ではなくエチレンによって制御されていると考えられる。実際に、エチレン処理だけで圧縮土壌と同様の根の形状変化が誘導された。EIN3-GFP を発現させたシロイヌナズナもしくはOsEIL1-GFP を発現させたイネの根は、圧縮していない土壌では細胞核でGFP蛍光は検出されなかったが、圧縮土壌では伸長領域の細胞で蛍光が観察された。根のエチレン応答は、圧縮土壌が粘土質でも砂質でも見られた。また、圧縮土壌ではエチレンガスの拡散速度が大幅に遅くなることが確認された。以上の結果から、圧縮土壌での根の成長阻害は単なる機械的な力によるものではなく、エチレンシグナルによって引き起こされ、根は細胞が放出するエチレンの拡散を介して土壌の状態を感知していると考えられる。

論文）PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 3のSUMO化

SUMOylation of PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 3 promotes photomorphogenesis in Arabidopsis thaliana
Bernula et al.  New Phytologist (2021) 229:2050-2061.
doi: 10.1111/nph.17013

ハンガリー生物学研究センター植物学研究所のViczian らは、GPS-SUMOソフトウェアを用いた解析から、シロイヌナズナPHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 3（PIF3）タンパク質の13番目のリジン残基（K13）がSUMO化ターゲットである可能性を見出した。このリジン残基は様々な植物種のPIF3タンパク質で保存されていた。そして、実際に植物体内においてPIF3 K13がSUMO化されることを確認した。また、PIF3-SUMO縮合体は暗期に蓄積量が増加していた。PIF3のSUMO化の生物学的な役割を解析するために、pif3 変異体においてPIF3 もしくはSUMO化しない変異型PIF3(K13R)を発現させ、表現型を観察した。赤色光下で育成したpif3 変異体芽生えは胚軸伸長が抑制されるが、PIF3 を発現させることで野生型と同等にまで胚軸が伸長した。PIF3(K13R) を発現させた芽生えは赤色光に対する感受性が低下し、胚軸が野生型よりも伸長した。PIF3は子葉の拡大を抑制するが、PIF3(K13R) 発現個体はPIF3 発現個体よりも子葉面積が小さくなった。したがって、PIF3のSUMO化は芽生えの光形態形成を促進していると考えられる。PIF3はクロロフィル（Chl）の蓄積に関与しており、pif3 変異体はChl前駆体のプロトクロロフィリドが蓄積して黄化芽生えに光照射すると光退色を起こして細胞死を起こす。PIF3 を発現させたpif3 変異体芽生えは光照射後の生存率が劇的に向上するが、PIF3(K13R) を発現させた芽生えはさらに生存率が高くなった。したがって、SUMO受容部位が変異したPIF3(K13R)は野生型よりもPIF3を介した応答性が向上しており、別の言い方をするとSUMO化は光照射下芽生えのPIF3生物活性を低下させていると考えられる。PIF3のSUMO化は、光照射によって誘導されるPIF3の分解や細胞な局在に対しては影響していなかった。また、PIF3(K13R)はターゲット遺伝子の発現誘導量がPIF3よりも高く、ターゲット遺伝子DNA配列との親和性が高くなっていた。よって、PIF3のSUMO化はターゲット遺伝子プロモーター領域に対する結合親和性を調節していることが示唆される。フィトクロムB（phyB）は光照射によってPIF3と複合体を形成すると、両タンパク質ともポリユビキチン化と分解が促進される。PIF3とPIF3(K13R)はphybとの親和性は同等であったが、光照射によるphyBの減少はPIF3(K13R)との相互作用で促進された。よって、PIF3のSUMO化はphyB量の調節に関与していることが示唆される。以上の結果から、PIF3のSUMO化は、PIF3の転写因子活性を調節していると考えられる。