グルタチオン：カドミウム曝露シロイヌナズナにおける金属キレーション、栄養の恒常性、細胞周期の調節、DNA損傷応答における重要な役割を果たす

Glutathione: A key player in metal chelation, nutrient homeostasis, cell cycle regulation and the DNA damage response in cadmium-exposed Arabidopsis thaliana.

• Sophie Hendrix
• Marijke Jozefczak
• Małgorzata Wójcik
• Jana Deckers
• Jaco Vangronsveld
• Ann Cuypers

抄録

グルタチオン（GSH）は、抗酸化剤として、また金属キレート性フィトケラチン（PC）の前駆体としての二重の機能を通じて、カドミウム（Cd）に対する植物の応答において重要な役割を果たしている。さらに、シロイヌナズナの根では細胞周期の制御に関与していることが示されているが、葉でのこのプロセスへの関与はほとんど知られておらず、カドミウム曝露植物では評価されたことがない。本研究では、カドミウムに長時間曝露したシロイヌナズナの葉の成長・発育、金属キレート、栄養のホメオスタシス、細胞周期制御における GSH の役割を解明することを目的とした。本研究では、野生型（WT）植物と3種類のGSH欠損変異体との間で応答を比較した。その結果、カドミウムに長時間曝露された植物では、PC産生が重要であることが示された。さらに、カドミウムに曝露された植物において、GSHが栄養の恒常性を調節する上で重要な役割を果たしていることが明らかになった。細胞周期解析の結果、カドミウム曝露による細胞分裂や細胞内再生への悪影響は、GSH 欠損型カドミウム感受性 2-1 (cad2-1)変異体の葉では、WT に比べて顕著であり、GSH が細胞周期制御に関与していることが明らかになった。最後に、GSH 欠損変異体の葉では、Cd 誘導性 DNA 損傷応答（DDR）の転写活性化に GSH が重要な役割を果たしていることが明らかになった。

Glutathione (GSH) is an important player in plant responses to cadmium (Cd) through its dual function as an antioxidant and precursor for metal-chelating phytochelatins (PCs). In addition, it was shown to be involved in cell cycle regulation in Arabidopsis thaliana roots, but its involvement in this process in leaves is largely unknown and has never been evaluated in Cd-exposed plants. This study aimed to elucidate the role of GSH in leaf growth and development, metal chelation, nutrient homeostasis and cell cycle regulation in A. thaliana plants upon prolonged Cd exposure. Responses were compared between wild-type (WT) plants and three GSH-deficient mutants. Our results indicate that PC production remains important in plants exposed to Cd for an extended duration. Furthermore, an important role for GSH in regulating nutrient homeostasis in Cd-exposed plants was revealed. Cell cycle analysis demonstrated that negative effects of Cd exposure on cell division and endoreplication were more pronounced in leaves of the GSH-deficient cadmium-sensitive 2-1 (cad2-1) mutant in comparison to the WT, indicating the involvement of GSH in cell cycle regulation. Finally, a crucial role for GSH in transcriptional activation of the Cd-induced DNA damage response (DDR) was revealed, as the Cd-induced upregulation of DDR-related genes was either less pronounced or completely abolished in leaves of the GSH-deficient mutants.

Copyright © 2020. Published by Elsevier Masson SAS.