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陸上植物の油体形成はMpC1HDZによって制御されており、節足動物の草食動物に対する防御として機能している
Oil Body Formation in Marchantia polymorpha Is Controlled by MpC1HDZ and Serves as a Defense against Arthropod Herbivores.
PMID: 32559445 DOI: 10.1016/j.cub.2020.05.081.
抄録
オルドビス紀の陸上植物相の起源は、新しい生物学的・環境的ストレス要因への適応を必要としていた。肝草の一種である油小体は二次代謝物を蓄積するが、その機能と発達についてはよくわかっていない。本研究では、このような油小体の機能を明らかにすることを目的としています。本研究では、クラスIのホメオドメイン・ロイシンジッパー(C1HDZ)転写因子が油体細胞の分化を制御していることを明らかにした。開花植物では、これらの転写因子は主に干ばつなどの環境ストレスに対する応答を調節している。しかし、M.polymorphaの単一オルソログ遺伝子MpC1HDZの機能喪失対立遺伝子は、生物学的ストレスに関連した表現型を示さなかった。むしろ、Mpc1hdz変異体の植物は草食に対してより感受性が高く、変異体の全植物抽出物は抗菌活性が低下していた。変異体植物のトランスクリプトーム解析を行ったところ、二次代謝に関連する遺伝子の発現が減少し、油体テルペノイド化合物の特異的な枯渇を伴うことが明らかになった。タイムラプスイメージングにより、我々は、MpC1HDZの発現の最大値が油体形成に先行することを観察し、MpC1HDZは油体細胞の分化を媒介していることを示唆している。このことから、M.polymorphaの油小体とMpC1HDZは、草食に対する防御には重要であるが、生物学的ストレス耐性には重要ではないことが示唆された。このように、C1HDZ遺伝子は、2つの異なる陸生植物系統において、生物学的および生物学的ストレス因子に対する別々の応答を調節するために共役された。
The origin of a terrestrial flora in the Ordovician required adaptation to novel biotic and abiotic stressors. Oil bodies, a synapomorphy of liverworts, accumulate secondary metabolites, but their function and development are poorly understood. Oil bodies of Marchantia polymorpha develop within specialized cells as one single large organelle. Here, we show that a class I homeodomain leucine-zipper (C1HDZ) transcription factor controls the differentiation of oil body cells in two different ecotypes of the liverwort M. polymorpha, a model genetic system for early divergent land plants. In flowering plants, these transcription factors primarily modulate responses to abiotic stress, including drought. However, loss-of-function alleles of the single ortholog gene, MpC1HDZ, in M. polymorpha did not exhibit phenotypes associated with abiotic stress. Rather, Mpc1hdz mutant plants were more susceptible to herbivory, and total plant extracts of the mutant exhibited reduced antibacterial activity. Transcriptomic analysis of the mutant revealed a reduction in expression of genes related to secondary metabolism that was accompanied by a specific depletion of oil body terpenoid compounds. Through time-lapse imaging, we observed that MpC1HDZ expression maxima precede oil body formation, indicating that MpC1HDZ mediates differentiation of oil body cells. Our results indicate that M. polymorpha oil bodies, and MpC1HDZ, are critical for defense against herbivory, but not for abiotic stress tolerance. Thus, C1HDZ genes were co-opted to regulate separate responses to biotic and abiotic stressors in two distinct land plant lineages.
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