トウモロコシのミトコンドリアとプラスティッドの発生における活性酸素種、抗酸化剤、DNA損傷

Reactive Oxygen Species, Antioxidant Agents, and DNA Damage in Developing Maize Mitochondria and Plastids.

• Diwaker Tripathi
• Andy Nam
• Delene J Oldenburg
• Arnold J Bendich

抄録

トウモロコシのシュートの発育は、葉の基部にある色素沈着していない分裂分裂細胞から、葉身の拡大した分裂していない緑色の細胞へと進行していく。この移行には、プロミトコンドリアとプロプラスチッドの成熟形態への変換と、ミトコンドリアDNA（mtDNA）とプラスチッドDNA（ptDNA）の両方の大規模な断片化が伴います。我々は、高濃度で酸化ストレスと DNA 損傷を引き起こす活性酸素種（ROS）、および抗酸化剤と orgDNA の酸化損傷の発生変化を測定した。私たちの植物は、通常の非ストレス条件下で栽培された。それにもかかわらず、茎組織よりも葉の方が多くの酸化損傷を受けており、茎組織よりも葉の方が多くの過酸化水素、スーパーオキサイド、スーパーオキサイドディスムターゼのレベルが暗い成長した葉よりも明るい成長した葉の方が高いことを発見した。ミトコンドリア、原形質ともに、抗酸化酵素ペルオキシダーゼの活性は、茎組織では葉よりも高く、暗生葉では淡生葉よりも高かった。また、プロトプラストでは、低分子抗酸化物質であるグルタチオンとアスコルビン酸の量やカタラーゼ活性も葉組織よりも茎の方が高かった。これらのデータは、オルガネラの酸化ストレスの程度が葉よりも茎の方が低く、暗所では光よりも低いことを示唆している。葉（基底部メリステムではなく）における損傷/断片化したorgDNAは、大量の活性酸素を産生する成熟小器官へのDNA修復タンパク質の送達を停止するための核への活性酸素シグナルの結果ではないかと推測される。

Maize shoot development progresses from non-pigmented meristematic cells at the base of the leaf to expanded and non-dividing green cells of the leaf blade. This transition is accompanied by the conversion of promitochondria and proplastids to their mature forms and massive fragmentation of both mitochondrial DNA (mtDNA) and plastid DNA (ptDNA), collectively termed organellar DNA (orgDNA). We measured developmental changes in reactive oxygen species (ROS), which at high concentrations can lead to oxidative stress and DNA damage, as well as antioxidant agents and oxidative damage in orgDNA. Our plants were grown under normal, non-stressful conditions. Nonetheless, we found more oxidative damage in orgDNA from leaf than stalk tissues and higher levels of hydrogen peroxide, superoxide, and superoxide dismutase in leaf than stalk tissues and in light-grown compared to dark-grown leaves. In both mitochondria and plastids, activities of the antioxidant enzyme peroxidase were higher in stalk than in leaves and in dark-grown than light-grown leaves. In protoplasts, the amount of the small-molecule antioxidants, glutathione and ascorbic acid, and catalase activity were also higher in the stalk than in leaf tissue. The data suggest that the degree of oxidative stress in the organelles is lower in stalk than leaf and lower in dark than light growth conditions. We speculate that the damaged/fragmented orgDNA in leaves (but not the basal meristem) results from ROS signaling to the nucleus to stop delivering DNA repair proteins to mature organelles producing large amounts of ROS.

Copyright © 2020 Tripathi, Nam, Oldenburg and Bendich.