トウモロコシの WI5 は、二次細胞壁合成と水輸送に必要な endo-1,4-β-キシラナーゼをコードしている

Maize WI5 encodes an endo-1,4-β-xylanase required for secondary cell wall synthesis and water transport in xylem.

• Xiaojiao Hu
• Yang Cui
• Xiaomin Lu
• Weibin Song
• Lei Lei
• Jinjie Zhu
• Jinsheng Lai
• Lizhu E
• Haiming Zhao

抄録

根から葉への水の輸送は、植物の成長と発育に重要である。水輸送の異常は、土壌中に十分な水がある場合でも、干ばつストレスの原因となる。ここで私たちは、通常の生育条件下では生育のほとんどの期間を通じて著しい矮小化と葉枯れを示すトウモロコシ（Zea mays）のwilty5（wi5）突然変異体を同定した。地図に基づいたクローニングにより、WI5は、主に細胞壁のキシランの分解と再編成に機能するグリコシル脱水ファミリー10の活性なendo-1,4-β-キシラナーゼをコードしていることが明らかになった。逆転写ポリメラーゼ連鎖反応とβ-グルクロニダーゼアッセイにより、WI5は茎、特に二次壁形成中の節間部で高発現していることが明らかになった。また、RNAの塩基配列解析から、WI5が間節の成長に特異的な役割を果たしていることが示唆された。免疫組織化学と電子顕微鏡検査により、wi5はキシランの沈着と二次細胞壁の肥厚に欠陥があることが確認された。リグニン沈着とキシラン含量は、wi5では野生型と比較して著しく減少していた。これらの結果は、wi5 がキシラナーゼ活性を介して木部細胞壁の肥厚に機能し、それによってトウモロコシの木部水輸送、干ばつストレス応答、植物の成長を制御していることを示唆している。

Water transport from roots to leaves through xylem is important for plant growth and development. Defects in water transport can cause drought stress, even when there is adequate water in the soil. Here, we identified the maize (Zea mays) wilty5 (wi5) mutant, which exhibits marked dwarfing and leaf wilting throughout most of its life cycle under normal growth conditions. wilty5 seedlings exhibited lower xylem conductivity and wilted more rapidly under drought, NaCl, and high temperature treatments than wild-type plants. Map-based cloning revealed that WI5 encodes an active endo-1,4-β-xylanase from glycosyl dehydration family 10, which mainly functions in degrading and reorganizing cell wall xylan. Reverse-transcription polymerase chain reaction and β-glucuronidase assays revealed that WI5 is highly expressed in stems, especially in internodes undergoing secondary wall assembly. RNA sequencing suggested that WI5 plays a unique role in internode growth. Immunohistochemistry and electron microscopy confirmed that wi5 is defective in xylan deposition and secondary cell wall thickening. Lignin deposition and xylan content were markedly reduced in wi5 compared to the wild-type plants. Our results suggest that WI5 functions in xylem cell wall thickening through its xylanase activity and thereby regulates xylem water transport, the drought stress response, and plant growth in maize.

© 2020 The Authors. Journal of Integrative Plant Biology Published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences.