塩素感受性植物における塩化物塩分。タバコの光合成、ホルモン合成、トランスダクションに焦点を当てて

Chloride salinity in a chloride-sensitive plant: Focusing on photosynthesis, hormone synthesis and transduction in tobacco.

• Lin Wang
• Jia-Yang Xu
• Wei Jia
• Zheng Chen
• Zi-Cheng Xu

抄録

塩化物（Cl）は微量栄養素であり、植物の成長に有益なイオンであるが、過剰なClは容易にClの塩分濃度につながる。タバコはClに敏感な種であるため、Clが過剰になると深刻な被害を受けることが知られている。しかし、過剰なClが植物の成長や発育を遅らせる分子機構はほとんどわかっていない。本研究では、12 時間、24 時間、48 時間の Cl 塩分濃度に曝露したタバコを用いて、生理的、生化学的、遺伝的応答を測定した。その結果、対照と比較して、タバコのCl含有量は増加し、相対水分量（RWC）は減少し、光合成能力は著しく制限され、光合成産物は減少した。さらに、タバコはCl塩濃度に応答してデンプン、全フェノールの含有量を増加させ、フェニルアラニンアンモニアリアーゼ(PAL)活性を増加させた。マルチオミクスの結果、合計 15,445 個の遺伝子と 1983 個のタンパク質が Cl 塩分濃度に応答して差異なく存在していることが明らかになった。その結果、フェニルアラニン代謝とデンプン・ショ糖代謝の2つの代謝経路が、それぞれトランスクリプトームデータとプロテオームデータに特異的に富むことが明らかになった。さらに、RNA-Seq とプロテオミクスデータのコンジョイント解析を行った結果、734 個の異なる遺伝子・タンパク質が、主に植物ホルモンシグナル伝達経路、光合成経路、光合成アンテナタンパク質経路に濃縮されていることが明らかになった。今回の研究成果は、タバコの塩分濃度に対する分子応答に関する新たな知見を提供するだけでなく、塩分濃度に敏感な作物の改良のための重要な指針を提供するものである。

Chloride (Cl) is a micronutrient and a beneficial ion for plant growth, but excess Cl easily leads to Cl salinity. As a species sensitive to Cl, tobacco experiences serious damage when encountering excessive Cl. However, the molecular mechanism by which excess Cl delays plant growth and development remain largely unknown. In this study, physiological, biochemical and genetic responses were determined in tobacco plants exposed to 12 h, 24 h and 48 h of Cl salinity. Compared with the control, Cl salinity increased the content of Cl and decreased the relative water content (RWC) in tobacco, which severely limited the photosynthetic capacity and reduced photosynthetic products, resulting in decreased levels of auxin (IAA) and gibberellin (GA3). In addition, tobacco increased the content of starch, total phenol and increased phenylalanine ammonia-lyase (PAL) activity in response to Cl salinity. Multi-omics results revealed that a total of 15,445 genes and 1983 proteins were differentially abundant in response to Cl salinity. Two metabolic pathways, phenylalanine metabolism and starch and sucrose metabolism, were specifically enriched in the transcriptomic and proteomic data, respectively. In addition, our conjoint analysis of RNA-Seq and proteomics data revealed that 734 differentially abundant genes/proteins were enriched mainly in plant hormone signal transduction, photosynthesis and photosynthesis-antenna protein pathways. Our work presented here not only provides new insights into the molecular response of tobacco to Cl salinity but also offers important guidance for the improvement of Cl sensitive crops.

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