シロイヌナズナの根における鉄欠乏応答を予測するシス制御要素の存在

Putative cis-Regulatory Elements Predict Iron Deficiency Responses in Arabidopsis Roots.

• Birte Schwarz
• Christina B Azodi
• Shin-Han Shiu
• Petra Bauer

抄録

植物の鉄欠乏（-Fe）は、根の鉄の取り込みとシンク組織への分配を調整する複雑な制御ネットワークを活性化する。シロイヌナズナ()では、基本螺旋-ループ螺旋(bHLH)転写因子(TF)であるFER-LIKE FE DEFICIENCY-INDUCED TRANSCRIPTION FACTOR(FIT)が、根の鉄獲得遺伝子を制御している。他の多くの-Ｆｅ獲得遺伝子はＦＩＴに依存せず、代わりに他のｂＨＬＨ転写因子（ＴＦ）およびまだ知られていないＴＦによって制御される。シス制御コード、すなわち、植物の-Fe応答を制御するシス制御要素（CRE）とその組み合わせは、まだほとんど解明されていない。シロイヌナズナ根のトランスクリプトームデータと共発現クラスタリングを用いて、我々は計算モデルにおいて-鉄誘導遺伝子発現を予測する100以上のCRE（pCRE）を同定した。pCREの特性と機能の可能性を評価するために、我々は大規模なin vitro TF結合データ、位置バイアス、進化保存を用いた。その一例として、我々のアプローチにより、イネ科植物の鉄応答性CREとして知られているIDE1（鉄欠乏応答性エレメント1）に類似したpCREが発見された。シロイヌナズナのIDE1類似体は、FIT依存性遺伝子発現、より具体的には鉄キレート化合物の生合成に関連していた。このことから、IDE1はイネ科の種でも非イネ科の種でも保存されていると考えられる。また、本研究で得られたIDE1の遺伝子発現解析結果は、Fe-キレート化合物の生合成を制御する可能性のあるB3, NAC, bZIP, TCP TFのin vitroでの結合部位と一致した。これらの知見は、-鉄応答性遺伝子のシス制御に関する包括的な情報源を提供し、我々のメカニズムの理解を促進し、より効率的な鉄の取り込みや輸送システムを持つ植物の工学的研究のための将来的な取り組みに役立つものである。

Plant iron deficiency (-Fe) activates a complex regulatory network that coordinates root Fe uptake and distribution to sink tissues. In Arabidopsis (), FER-LIKE FE DEFICIENCY-INDUCED TRANSCRIPTION FACTOR (FIT), a basic helix-loop-helix (bHLH) transcription factor (TF), regulates root Fe acquisition genes. Many other -Fe-induced genes are FIT independent, and instead regulated by other bHLH TFs and by yet unknown TFs. The cis-regulatory code, that is, the cis-regulatory elements (CREs) and their combinations that regulate plant -Fe-responses, remains largely elusive. Using Arabidopsis root transcriptome data and coexpression clustering, we identified over 100 putative CREs (pCREs) that predicted -Fe-induced gene expression in computational models. To assess pCRE properties and possible functions, we used large-scale in vitro TF binding data, positional bias, and evolutionary conservation. As one example, our approach uncovered pCREs resembling IDE1 (iron deficiency-responsive element 1), a known grass -Fe response CRE. Arabidopsis IDE1-likes were associated with FIT-dependent gene expression, more specifically with biosynthesis of Fe-chelating compounds. Thus, IDE1 seems to be conserved in grass and nongrass species. Our pCREs matched among others in vitro binding sites of B3, NAC, bZIP, and TCP TFs, which might be regulators of -Fe responses. Altogether, our findings provide a comprehensive source of cis-regulatory information for -Fe-responsive genes that advance our mechanistic understanding and inform future efforts in engineering plants with more efficient Fe uptake or transport systems.

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