シロイヌナズナにおける鉄と硫黄のホメオスタシスネットワークのクロストーク

シロイヌナズナにおける鉄と硫黄のホメオスタシスネットワークのクロストーク

Crosstalk Between Iron and Sulfur Homeostasis Networks in Arabidopsis　
Muhammad Sayyar Khan, Qiao Lu, Man Cui, Hala Rajab, Huilan Wu, Tuanyao Chai and Hong-Qing Ling
　
Front. Plant Sci. 13:878418. doi: 10.3389/fpls.2022.878418
　　
　
（概要）
鉄（Fe）と硫黄（S）の広範な欠乏が世界的に懸念されている。鉄と硫黄の感知とシグナル伝達を制御する基礎的なメカニズムはよく理解されていない。
我々は、鉄のホメオスタシス、硫酸同化、グルタチオン（GSH）生合成に障害を持つ変異体を用いて、鉄と硫黄のクロストークを調査した。
その結果、鉄欠乏によって引き起こされるクロロシス症状は、内因性GSHレベルとは直接関係ないことがわかった。
さらに、鉄と硫黄のネットワークの間にダイナミックなクロストークを見出した。興味深いことに、Col-0では硫黄欠乏下でIRT1とFRO2の発現が上昇するが、cad2-1変異体バックグラウンドではそれが見られないことから、鉄欠乏下ではIRT1とFRO2の発現が直接または間接的にGSHに依存していることが示唆された。興味深いことに、亜硫酸塩還元のボトルネックにより、sir1-1変異体ではIRT1の発現が構成的に高くなることが示された。
鉄欠乏下では、高親和性硫酸トランスポーター（Sultr1;2）が根で発現上昇する一方、低親和性硫酸トランスポーター（Sultr2;1、Sultr2;2）はCol-0苗のシュートでダウンレギュレートされた。
さらに、鉄硫黄クラスター形成のキープレイヤーであるミトコンドリアの鉄供与体 (AtFH) およびプラスチッドの S mobilizer of group II cysteine desulfurase (AtNFS2) の発現が鉄欠乏下で上昇することが明らかとなった。qPCR データおよび ChIP-qPCR 実験から、AtFH の発現は中心的な転写因子 FIT の転写制御下にある可能性が示唆された。
　
　
（はじめに）
鉄（Fe）と硫黄（S）は植物にとって必須栄養素である。
硫黄や鉄の供給が制限された場合の植物の反応は、様々な実験的アプローチで広く研究されている。
両者は密接に関連しているため、一方の栄養素の欠乏は他方の栄養素の取り込みと利用可能性を調節すると考えられている。
そのため、FeとSのクロストークは関心を呼んでいる。
特に、SO2の排出量の減少やミネラル施肥によるS供給の低下により、近年、S欠乏が植物栄養学の大きな関心事となっている。
硫黄欠乏に対する植物の応答は、多くの研究によって明らかにされている。
しかし、鉄と硫黄の感知・伝達機構はまだ十分に解明されていない。
硫黄が欠乏している土壌とは対照的に、鉄は土壌中に豊富に存在するが、土壌マトリックス中に不溶であるため、その利用可能性は非常に低い。
植物における鉄や硫黄の欠乏反応を解明することを目的とした研究の多くは、いくつかの例外を除いて、主にシロイヌナズナの単一栄養素の欠乏に焦点を当てたものであった。
しかし、農業生態系では、植物は両方の栄養素の同時欠乏にさらされる可能性が高く、2つの栄養素の同時制限は、2つの栄養素の個々の制限によって引き起こされる反応とは全く異なる反応を引き起こすと考えるのが妥当であろう。
例えば、以前の報告では、Fe欠乏はトマトの根でより多くのエチレン生産を誘導したが、これはFeとSの二重飢餓下では起こらなかったことから、Sの欠乏はトマトの典型的なFe欠乏反応を変化させることが示唆されている。
他の報告では、Sの利用可能性がFeの取り込みに影響を与え、Fe欠乏によりSの取り込みと同化が調節されることが示されている。
代謝的に活性なFeのほとんどは主にSと共役してFe-Sクラスターを形成するため、Fe-Sクラスターを組み立てるための植物の変化する要求に応え、潜在的に毒性のある遊離Feと硫化物を避けるために、基質（すなわち、キレートFeとシステインの形の還元S）の供給を厳密に制御しなければならない。
最近、グルタチオン（GSH）という必須S含有化合物と鉄に対する耐性の相関がシロイヌナズナで示された（Shanmugam et al.、2015）。
GSH欠損変異体zir1は鉄制限に対して感受性を示したが、GSHの過剰発現は鉄欠乏に対する耐性を向上させた。これらの知見は、GSHが鉄制限条件下で必須の役割を果たすことを示唆している。
さらに、本研究では、GSH 欠損変異体が鉄欠乏条件下で野生型植物と比較して低いレベルの鉄を蓄積することをさらに明らかにした。
興味深いことに、GSH を過剰に生産したアブラナ科植物では、根から芽への鉄の移行が有意に高いことが報告されている。この研究は、主要な一次 S 代謝関連遺伝子の過剰発現を介した GSH 過剰生産が、植物の Fe を増加させるバイオテクノロジーの手段となる可能性を示唆している（Rajab et al.、2020）。
鉄と硫黄は互いに影響し合い、一方の栄養素の欠乏が他方の栄養素の吸収や利用可能性に影響を与えることを支持する証拠が蓄積されている。
さらに、異なる農業生態系で硫黄と鉄の同時欠乏に曝された植物は、より複雑な反応を引き起こす可能性がある。
したがって、一方の栄養素の欠乏が他方に与える影響を理解するだけでなく、植物が Fe と S の二重の欠乏にどのように反応するかを理解することが不可欠である。
本研究では、鉄のホメオスタシス、亜硫酸還元、GSH 生合成に障害を持つシロイヌナズナ変異体を用いて、分子的・実験的アプローチにより、鉄と硫黄の個別および二重の栄養欠乏の観点からクロストークを検討することを目的とした。


図1｜FeおよびS飢餓に曝されたシロイヌナズナの表現型。に移植した1週齢の実生を上から見た図。(A) 1/2MS培地、(B) 1/2MS - Fe、(C) 1/2MS - Sに植え替え、長日条件下で4日間培養した。(D) クロロフィル含有量、(E) 根の長さ。文字列は、Col-0 と変異体において、1/2 MS + Fe + S での野生型と他の処理との間の統計的有意差を示し、二元配置 ANOVA テストに続いて Dunnett のテストにより決定した (p < 0.05, n = 3)。

図2｜シロイヌナズナの根における鉄ホメオスタシス関連遺伝子の発現プロファイル。IRT1 (A), FRO2 (B), FIT (C), bHLH38 (D), NAS1 (E), NAS2 (F), FRD3 (G) の定量RT-PCRによる相対的発現を、アラビドシス野生型 (Col-0), fit1-2, sir1-1, cad2-1.の根で測定した。およびs1c2系統の1週齢の苗を、長日条件下で半強度MS培地（1/2 MS + Fe + S）、鉄欠乏（1/2 MS - Fe + S）、S欠乏（1/2 MS + Fe - S）および鉄およびS欠乏 （1/2 MS - Fe - S）に4日間曝したときの根のRNA量を示す。Y軸はGADPHで正規化したRNA量を示す。(A-G) 文字は、Col-0と変異体において、1/2 MS + Fe + S上の野生型（Col-0）と他の処理との間の統計的有意差を示し、二元配置分散分析検定に続いてダネットの検定で決定した（p < 0.05, n = 3）。棒グラフは平均値±SDを表す。

図6｜シロイヌナズナにおける鉄と硫黄のネットワークの相互作用の模式図。鉄と硫黄の利用可能性は、植物における硫黄および鉄のホメオスタシス関連遺伝子の発現に影響を与える。その反応様式は、栄養不足の程度に依存する可能性がある。亜硫酸塩還元やGSH生合成のボトルネック（右図）は、活性酸素（Astolfi et al, 2021; von der Mark et al, 2021; McInturf et al, 2022）など、まだ知られていないシグナルを介してさらにカノニカル反応を調節しうる。UP矢印：アップレギュレーション、DOWN矢印：ダウンレギュレーション、左右矢印：相互作用の可能性、破線：野生型バックグラウンドと比較した差分調節。

図1

図2

図6