New functions and physiological significance of specific chloroplasts present in epidermal tissue

表皮组织中特定叶绿体的新功能和生理意义

基本信息

批准号：
21H02512
负责人：
祢宜淳太郎
金额：
$ 11.15万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

気孔の孔辺細胞には葉緑体が存在し、葉肉細胞の葉緑体とは異なる形態的特徴を持っていることが知られているが、その形成メカニズムに関してはほとんど分かっていない。我々は孔辺細胞の脂質代謝系が葉肉細胞とは異なるユニークなものであり、小胞体から葉緑体への脂質輸送が孔辺細胞の葉緑体形成において必須であることを明らかにした (Negi et al., 2018)。このことは、孔辺細胞が器官特異的な葉緑体形成メカニズムを発達させていることを示唆している。本研究では、孔辺細胞の葉緑体形成メカニズムを分子レベルで解明するために、エチルメタンスルホン酸 (EMS) 処理をしたシロイヌナズナのM2植物約10,000個体から、蛍光顕微鏡を用いた順遺伝学的スクリーニングにより孔辺細胞のクロロフィル蛍光が野生型に比べ低下している変異体を複数単離し、achs (achlorophyllous stomata) と命名した。その1つであるachs4 変異体は孔辺細胞特異的な葉緑体形成不全の表現型を示し、光やCO2に対する気孔応答性が損なわれていた。また、その原因遺伝子ACHS4は脂質合成酵素の一種であることを明らかにした。脂質合成機能が孔辺細胞と葉肉細胞の葉緑体形成に及ぼす影響を調べるために、孔辺細胞および葉肉細胞プロトプラストを用いてリピドーム比較解析を行った。その結果、achs4変異体では脂肪酸含量が野生型に比べ減少していた。さらに、脂肪酸から合成されるリン脂質と糖脂質のうち、achs4変異体の孔辺細胞ではリン脂質に比べ、葉緑体形成に必要な糖脂質の含量が低下していた。一方、葉肉細胞では糖脂質に比べリン脂質含量が大きく低下していた。このことは、脂肪酸不足時のリン脂質と糖脂質の合成バランスにおいて、孔辺細胞が葉肉細胞とは異なる優先順位付けをおこなっている可能性を示唆する。

尽管叶绿体存在于气孔中的后卫细胞中，但众所周知，它们的形态特征与叶肉细胞中的形态学特征不同，但对它们的形成机制知之甚少。我们已经表明，后卫细胞的脂质代谢系统是叶肉细胞独有的，并且从内质网向叶绿体的脂质转运对于后卫细胞的叶绿体形成至关重要（Negi等，2018）。这表明后卫细胞发展了器官特异性的叶绿体形成机制。 In this study, in order to elucidate the mechanism of chloroplast formation in guard cells at the molecular level, we isolated several mutants in which chlorophyll fluorescence in guard cells was reduced compared to the wild type by forward genetic screening using a fluorescence microscope from approximately 10,000 individuals of Arabidopsis M2 plants treated with ethylmethanesulfonic acid (EMS) and named them achs (achlorophyllous stomata).其中之一是ACHS4突变体，表现出护卫细胞特异性叶绿体发育异常表型，损害了对光和CO2的气孔反应。还揭示了致病基因ACHS4是一种脂质合酶。为了研究脂质合成功能对后卫细胞和叶肉细胞中叶绿体形成的影响，使用护卫细胞和叶肉细胞原生质体进行了脂肪组比较分析。结果，与野生型相比，ACHS4突变体的脂肪酸含量减少了。此外，在脂肪酸合成的磷脂和糖脂中，与磷脂相比，ACHS4突变体的防护细胞中叶绿体形成所需的糖脂含量较低。另一方面，叶肉细胞中的磷脂含量明显低于糖脂脂。这表明，在脂肪酸缺乏期间，警卫细胞在磷脂和糖脂合成的平衡中可能优先于叶肉细胞。