シロイヌナズナ分岐酵素1はアミロペクチン生合成とセシウム耐性に必須である

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J. Plant Physiol..2020 Jun;252:153208. S0176-1617(20)30098-5. doi: 10.1016/j.jplph.2020.153208.Epub 2020-06-10.

シロイヌナズナ分岐酵素1はアミロペクチン生合成とセシウム耐性に必須である

Arabidopsis thaliana branching enzyme 1 is essential for amylopectin biosynthesis and cesium tolerance.

Junxia Zhang
Ju Yang
Ting Zhang
Qihui Yang
Hairong Gao
Hongmei Cheng
Huiqing Jin
Yufen Wang
Zhi Qi

PMID: 32688166 DOI: 10.1016/j.jplph.2020.153208.

抄録

シロイヌナズナの分岐酵素1(AtBE1)は葉緑体に局在する胚死遺伝子であり、以前にノックアウト変異体で同定された。AtBE1は糖質代謝に関与していると考えられているが、実験的には実証されていない。クロロシスは植物におけるセシウム（Cs）毒性の典型的な症状である。このようなセシウム毒性の遺伝的標的はほとんど知られていない。ここでは、シロイヌナズナのエチルメタンスルホン酸(EMS)変異体atbe1-5を用いて、セシウム耐性とクロロフィル欠損を有する変異体を単離した。その結果、AtBE1のランダムなコイルモチーフの1つのアミノ酸の変化(P749S)が、この突然変異体のCs耐性とクロロフィル欠損の表現型をもたらすことが確認された。等温滴定熱量測定により、749番目の残基がCs結合部位であることが明らかになった。我々は、AtBE1の749番目の残基にCsが結合することで、酵素の活性が阻害され、Cs毒性が生じ、光合成効率が低下するという仮説を立てた。この仮説を裏付けるように、AtBE1-5の葉は光合成効率が低下しており、そのアミロース含量はCol-0生態型の葉の約60％、アミロペクチン含量は約1％であった。また、変異体の葉はCol-0の葉よりもショ糖濃度は低いが、マルトース濃度は高い。本研究により、AtBE1 はアミロペクチンとアミロースの生合成に必須の遺伝子であること、また Cs 毒性の標的であることが明らかになり、生育を維持しながら汚染土壌から Cs を抽出する植物工学の遺伝子座として利用できることが示された。

Arabidopsis thaliana BRANCHING ENZYME 1 (AtBE1) is a chloroplast-localized embryo-lethal gene previously identified in knockout mutants. AtBE1 is thought to function in carbohydrate metabolism; however, this has not been experimentally demonstrated. Chlorosis is a typical symptom of cesium (Cs) toxicity in plants. The genetic target of Cs toxicity is largely unknown. Here, we isolated a Cs-tolerant and chlorophyll-defective Arabidopsis ethyl methanesulfonate (EMS) mutant, atbe1-5. Mapping by sequencing and genetic complementation confirmed that a single amino acid change (P749S) in a random coil motif of AtBE1 confers the mutant's Cs-tolerant and chlorophyll-defective phenotype. An isothermal titration calorimetry assay determined that the 749th residue is the Cs-binding site and hence likely the target of Cs toxicity. We hypothesized that binding of Cs to the 749th residue of AtBE1 inhibits the enzyme's activity and confers Cs toxicity, which in turn reduces photosynthetic efficiency. In support with this hypothesis, atbe1-5 leaves have a reduced photosynthetic efficiency, and their amylose and amylopectin contents are ∼60 % and ∼1%, respectively, of those in Col-0 ecotype leaves. Leaves of the mutant have a lower sucrose, but higher maltose, concentration than those of Col-0. This study demonstrated that AtBE1 is an essential gene for amylopectin and amylose biosynthesis, as well as the target of Cs toxicity; therefore, it can serve as a genetic locus for engineering plants to extract Cs from contaminated soil while maintaining growth.