脂質キナーゼPIP5K7とPIP5K9は、シロイヌナズナの根におけるポリアミンをトリガーとしたK排出に必要である

Lipid kinases PIP5K7 and PIP5K9 are required for polyamine-triggered K efflux in Arabidopsis roots.

• Xavier Zarza
• Ringo Van Wijk
• Lana Shabala
• Anna Hunkeler
• Matthew Lefebvre
• Antia Rodriguez-Villalón
• Sergey Shabala
• Antonio F Tiburcio
• Ingo Heilmann
• Teun Munnik

抄録

プトレシン、スペルミジン、スペルミン（Spm）などのポリアミンは、すべての生物に存在する低分子のポリカチオン性分子である。植物の細胞内プロセスにそれらが関与しているにもかかわらず、その分子作用モードについてはほとんど知られていない。ここでは、ポリアミンが調節膜脂質であるホスファチジルイノシトール-4,5-ビスフォスフェート（PIP）を急激に増加させること、そしてこの増加がシロイヌナズナの根におけるK排出に対するポリアミンの効果に必要であることを実証した。シロイヌナズナの苗の生体内での P-ラベリングを用いて、低生理学的（μM）濃度の Spm を投与すると、時間と用量に依存して根の PIP が急速に増加することが判明した。遺伝的にコード化されたPIPバイオセンサーの共焦点イメージングにより、この増加は形質膜で誘発されることが明らかになった。差動P -ラベリングは、PIPの増加は、ホスホリパーゼCまたはPIP 5-ホスファターゼ活性の阻害ではなく、ホスファチジルイノシトール-4-リン酸5-キナーゼ(PIP5K)活性の活性化によって生じたことを示唆した。T-DNA挿入変異体の系統的解析により、PIP5K7とPIP5K9がSpm誘導PIP応答に関与する主な候補として同定された。また、非侵襲的微小電極イオンフラックス評価（MIFE）を用いて、SpmをトリガーとしたK-efflux応答がPIP5K7とPIP5K9の苗で強く減少していることを発見した。これらの結果は、ポリアミンが介在するシグナル伝達において、PIPが植物のKフラックスを制御する生理的役割を果たしていることを示す生化学的・遺伝学的な証拠を提供している。

Polyamines, such as putrescine, spermidine and spermine (Spm), are low-molecular-weight polycationic molecules present in all living organisms. Despite their implication in plant cellular processes, little is known about their molecular mode of action. Here, we demonstrate that polyamines trigger a rapid increase in the regulatory membrane lipid, phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate (PIP ), and that this increase is required for polyamine effects on K efflux in Arabidopsis roots. Using in vivo P -labelling of Arabidopsis seedlings, low physiological (μM) concentrations of Spm were found to promote a rapid PIP increase in roots that was time- and dose-dependent. Confocal imaging of a genetically encoded-PIP biosensor revealed that this increase was triggered at the plasma membrane. Differential P -labelling suggested that the increase in PIP was generated through activation of phosphatidylinositol-4-phosphate 5-kinase (PIP5K) activity rather than inhibition of a phospholipase C or PIP 5-phosphatase activity. Systematic analysis of T-DNA insertion mutants identified PIP5K7 and PIP5K9 as the main candidates involved in the Spm induced-PIP response. Using non-invasive microelectrode ion-flux estimation (MIFE), we discovered that the Spm-triggered K -efflux response was strongly reduced in pip5k7 pip5k9 seedlings. Together, our results provide biochemical- and genetic evidence for a physiological role of PIP in polyamine-mediated signalling controlling K flux in plants.

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