マンガン治療はシロイヌナズナの苗の亜鉛欠乏症状を緩和します

Manganese Treatment Alleviates Zinc Deficiency Symptoms in Arabidopsis Seedlings.

• Sayuri Nakayama
• Shigeo S Sugano
• Haruna Hirokawa
• Izumi C Mori
• Hiroyuki Daimon
• Sachie Kimura
• Yoichiro Fukao

抄録

ミネラル不足に起因する植物の表現型は、生育条件によって異なる。我々は最近、シロイヌナズナの生育がMGRLベースの亜鉛（Zn）欠乏培地では著しく阻害されたが、MSベースの亜鉛欠乏培地では阻害されなかったことを報告した。ここでは、異なる培地で生育したシロイヌナズナの表現型の違いの根本的な理由を探った。Zn 欠乏によって減少した根の成長とクロロフィルの内容は、短期的な成長（10 または 14 d）の間に余分なマンガン（Mn）を追加することによって救済されました。しかし、この処理は長期生育（38 d）後の生育回復には影響を与えなかった。植物のZn欠乏からの回復の理由を調べるために、我々は、追加のMnの有無にかかわらず、Znベースの培地とZn枯渇培地上で成長した根のRNA-seq分析を行った。RNA-seqデータの主成分分析により、Zn基底培地上の植物の遺伝子発現パターンは、Mnを添加したZn枯渇培地上の植物と同様であったのに対し、Mnを添加していないZn枯渇培地上の植物は他の植物とは異なることが示された。いくつかの転写因子および活性酸素種（ROS）関連遺伝子の発現は、Mnを含まないZn枯渇培地上の植物のみでアップレギュレーションされていた。活性酸素種関連遺伝子の発現と一致するように、Mnを添加していないZn枯渇培地で栽培した根では、他の条件で栽培した根に比べて活性酸素種の蓄積量が高かった。これらの結果は、植物はZn枯渇のような望ましくない生育条件の下で活性酸素を蓄積し、バイオマスを減少させることを示唆している。以上のことから、本研究は、Ｚｎ枯渇培地への余分なＭｎの添加が、ＲＯＳ関連遺伝子の転写変化を誘導し、それによってＺｎ欠乏による短期的な生育阻害を緩和することを示している。

Plant phenotypes caused by mineral deficiencies differ depending on growth conditions. We recently reported that the growth of Arabidopsis thaliana was severely inhibited on MGRL-based zinc (Zn)-deficient medium but not on MS-based Zn-deficient medium. Here, we explored the underlying reason for the phenotypic differences in Arabidopsis grown on different media. The root growth and chlorophyll contents reduced by Zn deficiency were rescued by the addition of extra manganese (Mn) during short-term growth (10 or 14 d). However, this treatment did not affect the growth recovery after long-term growth (38 d). To investigate the reason for plant recovery from Zn deficiency, we performed an RNA-seq analysis of the roots grown on Zn-basal medium and Zn-depleted medium with/without additional Mn. Principal component analysis of the RNA-seq data showed that the gene expression patterns of plants on Zn-basal medium were similar to those on Zn-depleted medium with Mn, whereas those on Zn-depleted medium without Mn were different from the others. The expression of several transcription factors and reactive oxygen species (ROS)-related genes was upregulated in only plants on Zn-depleted medium without Mn. Consistent with the gene expression, ROS accumulation in the roots grown on Zn-depleted medium without Mn was higher than those on the other conditions. These results suggest that plants accumulate ROS and reduce their biomass under undesirable growth conditions, such as Zn-depletion. Taken together, this study shows that the addition of extra Mn to Zn-depleted medium induces transcriptional changes in ROS-related genes, thereby alleviating short-term growth inhibition due to Zn deficiency.

© The Author(s) 2020. Published by Oxford University Press on behalf of Japanese Society of Plant Physiologists. All rights reserved. For permissions, please email: journals.permissions@oup.com.