エチレンはシロイヌナズナの鉄ストレス下での一次根の成長と鉄のホメオスタシスの維持に重要である

Ethylene is critical to the maintenance of primary root growth and Fe homeostasis under Fe stress in Arabidopsis.

• Guangjie Li
• Weifeng Xu
• Herbert J Kronzucker
• Weiming Shi

抄録

鉄（Fe）は必須の微量元素であるが、過剰になると非常に有毒である。鉄毒性に対する植物の根の反応とそれに関与する制御経路の性質については、あまり理解されていない。ここでは、シロイヌナズナ野生型とエチレン変異体の鉄過剰曝露に対する反応を、一次根の成長とエチレンの役割に焦点を当てて調べた。その結果、鉄過剰曝露は細胞の伸長と分裂の両方を低下させることで一次根の成長を停止させ、主に根の先端での外部からの鉄の直接接触に起因することが明らかになった。エチレンは顕著であったが、アブシジン酸は顕著ではなかった。エチレンアンタゴニストは野生型では根の成長阻害を強めたが、エチレン過剰生産変異体では根の成長阻害は有意に減少した。エチレンは、鉄プラークが形成されていない場合でも、組織の鉄の恒常性に正の役割を果たしていることを示した。エチレンは、鉄プラークが形成されていない場合でも、組織内の鉄濃度を低下させた。さらに、エチレンは、鉄を吸収するフェリチンをコードする遺伝子の発現を増加させた。さらに、エチレンは根のK(+)状態を有意に向上させ、K(+)トランスポーター(HAK5)の発現を増加させた。これらの知見は、シロイヌナズナの鉄ストレス下での組織の鉄とKの恒常性と一次根の成長におけるエチレンの重要な役割を強調している。

Iron (Fe) is an essential microelement but is highly toxic when in excess. The response of plant roots to Fe toxicity and the nature of the regulatory pathways engaged are poorly understood. Here, we examined the response to excess Fe exposure in Arabidopsis wild type and ethylene mutants with a focus on primary root growth and the role of ethylene. We showed that excess Fe arrested primary root growth by decreasing both cell elongation and division, and principally resulteds from direct external Fe contact at the root tip. Pronounced ethylene, but not abscisic acid, evolution was associated with excess Fe exposure. Ethylene antagonists intensified root growth inhibition in the wild type, while the inhibition was significantly reduced in ethylene-overproduction mutants. We showed that ethylene plays a positive role in tissue Fe homeostasis, even in the absence of iron-plaque formation. Ethylene reduced Fe concentrations in the stele, xylem, and shoot. Furthermore, ethylene increased the expression of genes encoding Fe-sequestering ferritins. Additionally, ethylene significantly enhanced root K(+) status and upregulated K(+)-transporter (HAK5) expression. Our findings highlight the important role of ethylene in tissue Fe and K homeostasis and primary root growth under Fe stress in Arabidopsis.

© The Author 2015. Published by Oxford University Press on behalf of the Society for Experimental Biology.