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耐熱性または高温に敏感なダイズ遺伝子型の子葉系乳腺細胞における種子タンパク質組成とタンパク質貯蔵液胞 の構造に及ぼす熱ストレスの影響
Effect of Heat Stress on Seed Protein Composition and Ultrastructure of Protein Storage Vacuoles in the Cotyledonary Parenchyma Cells of Soybean Genotypes That Are Either Tolerant or Sensitive to Elevated Temperatures.
PMID: 32635665 DOI: 10.3390/ijms21134775.
抄録
生育温度が高いと、ダイズ（L. Merr）の収量と種子の品質に悪影響を及ぼす。種子発育中に熱ストレスを受けたダイズ植物は、種子にしわが寄ったり、変色したり、発芽が悪くなったり、 病原菌感染症が発生する可能性が高くなり、経済的価値が全体的に低下する種子を生産する。大豆育種家は、熱ストレス耐性を有するエキゾチックランドレースの遺伝子型を同定しており、従来の交配では、種子収量と熱耐性が改善された実験的な遺伝子型を生成するために使用されてきた。ここでは、高生育温度に感受性または耐性を有するダイズ遺伝子型の子葉状柔細胞の種子タンパク質組成と超微細構造を調べた。28/22℃（対照）、36/24℃（中等度）、42/26℃（極端）の昼夜温度下で生産された耐熱性および耐熱性遺伝子型から分離された種子タンパク質の生化学的分析を行ったところ、ダイズ種子中のリポキシゲナーゼ、β-サブユニット、ショ糖結合タンパク質、Bowman-Birk プロテアーゼ阻害剤の蓄積は、 両遺伝子型とも極端な熱ストレスの影響を受けたが、これらの影響は耐熱性遺伝子型ではあまり顕著ではなかった。ウェスタンブロット分析では，両系統とも種子充填時の高温に反応してヒートショック蛋白質（HSP70 と HSP17.6）の蓄積量が増加していた。透過型電子顕微鏡では、熱ストレスが貯蔵柔細胞の構造に劇的な変化をもたらすことが示された。極端な熱ストレスは、種子貯蔵タンパク質を蓄積する小器官であるタンパク質貯蔵液胞の構造と膜の完全性を破壊した。細胞壁からの形質膜の剥離（形質分解）は、感受性の高い系統の細胞でよく観察された。対照的に、耐性遺伝子型では、これらの構造変化はあまり顕著ではなく、極端な熱ストレス下でも、細胞はほとんどの部分で構造的完全性を保持していた。本研究の結果は、種子のタンパク質組成と超構造変化に対する熱ストレスの影響が対照的であることを示しており、この影響は、種子の発育中に高温に耐える耐性遺伝子型の能力に寄与している。
High growth temperatures negatively affect soybean ( (L.) Merr) yields and seed quality. Soybean plants, heat stressed during seed development, produce seed that exhibit wrinkling, discoloration, poor seed germination, and have an increased potential for incidence of pathogen infection and an overall decrease in economic value. Soybean breeders have identified a heat stress tolerant exotic landrace genotype, which has been used in traditional hybridization to generate experimental genotypes, with improved seed yield and heat tolerance. Here, we have investigated the seed protein composition and ultrastructure of cotyledonary parenchyma cells of soybean genotypes that are either susceptible or tolerant to high growth temperatures. Biochemical analyses of seed proteins isolated from heat-tolerant and heat-sensitive genotypes produced under 28/22 °C (control), 36/24 °C (moderate), and 42/26 °C (extreme) day/night temperatures revealed that the accumulation in soybean seeds of lipoxygenase, the β-subunit of β-conglycinin, sucrose binding protein and Bowman-Birk protease inhibitor were negatively impacted by extreme heat stress in both genotypes, but these effects were less pronounced in the heat-tolerant genotype. Western blot analysis showed elevated accumulation of heat shock proteins (HSP70 and HSP17.6) in both lines in response to elevated temperatures during seed fill. Transmission electron microscopy showed that heat stress caused dramatic structural changes in the storage parenchyma cells. Extreme heat stress disrupted the structure and the membrane integrity of protein storage vacuoles, organelles that accumulate seed storage proteins. The detachment of the plasma membrane from the cell wall (plasmolysis) was commonly observed in the cells of the sensitive line. In contrast, these structural changes were less pronounced in the tolerant genotype, even under extreme heat stress, cells, for the most part, retained their structural integrity. The results of our study demonstrate the contrasting effects of heat stress on the seed protein composition and ultrastructural alterations that contribute to the tolerant genotype's ability to tolerate high temperatures during seed development.