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イネ花粉発生過程におけるペクチン修飾遺伝子の生理的重要性
Physiological Importance of Pectin Modifying Genes During Rice Pollen Development.
PMID: 32650624 DOI: 10.3390/ijms21144840.
抄録
イネの花粉管伸長に伴う細胞壁の動態、特にペクチンの主要成分であるホモガラクツロナン（HGA）の修飾については、ダイコット植物で広く研究されてきたが、単子植物での花粉管細胞壁の修飾がどのように成長を制御しているのかについては、ほとんど知られていない。本研究では，イネ花粉管の伸長に伴う HGA の修飾の役割を，ペクチンメチレスターゼ（PME）酵素または PME 阻害カテキン抽出物（ポリフェノン 60）をin vitro発芽培地に添加して評価した。いずれの処理を行っても、花粉の発芽率と伸びが著しく低下した。さらに、メチルエステル化および脱エステル化HGAエピトープに対するモノクローナル抗体を用いて、PMEとポリフェノール60を外因性に処理すると、花粉の発芽時および花粉管伸長時に、低メチル化および高メチル化ペクチンの分布パターンが破壊されることが明らかになった。11種のPMEと13種のPME阻害剤（PMEI）が公開されているトランスクリプトームデータから同定され、それらの特異的な発現がqRT-PCRによって検証された。酵素活性アッセイとタバコ葉の異種発現系を用いた細胞内局在化により、花粉特異的な PME と PMEI のいくつかは異なる酵素活性を有しており、細胞壁や他のコンパートメントを標的としていることが明らかになった。これらの知見は、イネの花粉管の発芽・伸長過程において、HGA のメチルエステル化状態が重要であることを示す最初の証拠であり、それは主に PME と PMEI の活性の微調整に支配されていることを示している。
Although cell wall dynamics, particularly modification of homogalacturonan (HGA, a major component of pectin) during pollen tube growth, have been extensively studied in dicot plants, little is known about how modification of the pollen tube cell wall regulates growth in monocot plants. In this study, we assessed the role of HGA modification during elongation of the rice pollen tube by adding a pectin methylesterase (PME) enzyme or a PME-inhibiting catechin extract (Polyphenon 60) to in vitro germination medium. Both treatments led to a severe decrease in the pollen germination rate and elongation. Furthermore, using monoclonal antibodies toward methyl-esterified and de-esterified HGA epitopes, it was found that exogenous treatment of PME and Polyphenon 60 resulted in the disruption of the distribution patterns of low- and high-methylesterified pectins upon pollen germination and during pollen tube elongation. Eleven PMEs and 13 PME inhibitors (PMEIs) were identified by publicly available transcriptome datasets and their specific expression was validated by qRT-PCR. Enzyme activity assays and subcellular localization using a heterologous expression system in tobacco leaves demonstrated that some of the pollen-specific PMEs and PMEIs possessed distinct enzymatic activities and targeted either the cell wall or other compartments. Taken together, our findings are the first line of evidence showing the essentiality of HGA methyl-esterification status during the germination and elongation of pollen tubes in rice, which is primarily governed by the fine-tuning of PME and PMEI activities.