スカンサス×ギガンテウスとゼアメイの葉における低温下でのスクロースリン酸合成酵素(SPS)、スクロース合成酵素(SUS)とその生成物

Sucrose phosphate synthase (SPS), sucrose synthase (SUS) and their products in the leaves of Miscanthus × giganteus and Zea mays at low temperature.

• Anna Bilska-Kos
• Jennifer Mytych
• Szymon Suski
• Justyna Magoń
• Piotr Ochodzki
• Jacek Zebrowski

抄録

主な結論:

トウモロコシ植物の寒冷応答には、主要な糖代謝酵素（SPS、SUS）の発現変化、ショ糖含量、葉緑体デンプンの配列の変化が重要な役割を果たしている可能性がある。本研究では、近縁の2つの植物の寒冷応答のメカニズムを理解するために、スカンサス×ジガンテウスとゼアメイの葉におけるスクロースリン酸合成酵素(SPS)とスクロース合成酵素(SUS)の発現量の変化と、それらの潜在的産物であるスクロース、セルロース、デンプンの変化を調べた。低温(12-14℃)では、ススキ(MG)とチリング感受性トウモロコシ(Zm-S)ではSPS含量が増加したが、チリング耐性トウモロコシ(Zm-T)では増加しなかった。Zm-S 系統では、電子顕微鏡で観察されたように、冷やした場合、メソフィル細胞の細胞質における SPS のラベリング強度が高くなった。また、メソフィル細胞とバンドルシース細胞の間の二次壁やコンパニオン細胞の液胞で観察されたSUSのラベリング強度は、MG株でのみ低温ストレスによって増加した。また、Zm-S株の葉緑体では、寒冷化によりデンプン粒の総面積が著しく増加した。また、フーリエ変換赤外分光法（FTIR）では、セルロースのバンド位置がわずかにシフトしていることが示され、Zm-T トウモロコシではよりコンパクトなセルロース配列が形成されていることが示唆された。以上のことから、本研究は、2 つの C 植物種間だけでなく、1 つのトウモロコシ種内でも、寒冷反応の多様性を裏付ける新たな知見を提示したものである。

MAIN CONCLUSION: The changes in the expression of key sugar metabolism enzymes (SPS and SUS), sucrose content and arrangement of chloroplast starch may play a significant role in the cold response in M. giganteus and maize plants. To understand the mechanism of the chilling-response of two closely-related C plants, we investigated the changes in the expression of sucrose phosphate synthase (SPS) and sucrose synthase (SUS) as well as changes in their potential products: sucrose, cellulose and starch in the leaves of Miscanthus × giganteus and Zea mays. Low temperature (12-14 °C) increased SPS content in Miscanthus (MG) and chilling-sensitive maize line (Zm-S), but not in chilling-tolerant one (Zm-T). In Zm-S line, chilling also caused the higher intensity of labelling of SPS in the cytoplasm of mesophyll cells, as demonstrated by electron microscopy. SUS labelling was also increased by cold stress only in MG plants what was observed in the secondary wall between mesophyll and bundle sheath cells, as well as in the vacuoles of companion cells. Cold led to a marked increase in total starch grain area in the chloroplasts of Zm-S line. In turn, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) showed a slight shift in the cellulose band position, which may indicate the formation of more compact cellulose arrangement in Zm-T maize line. In conclusion, this work presents new findings supporting diversified cold-response, not only between two C plant species but also within one species of maize.