植物の環境適応・被食防衛に応答するカルシウム依存リン酸化制御機構 Arabidopsis CPK signaling pathway for gene regulation in defense responses to herbivores cross-talks with heat shock signal transduction

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植物の食害防御シグナル伝達系においては植物細胞内のカルシウムのダイナミックスが初期シグナルとして重要な役割を担うことが示唆されつつある。本研究では、昆虫の食害によって活性されるカルシウム依存性タンパク質リン酸化酵素(Calcium-Dependent Protein Kinase: CPK)とCPKと相互作用する転写制御系に着目し、それらのシグナル伝達系を介した遺伝子転写制御機構の解明を試みた。<br> シロイヌナズナCPK遺伝子のT-DNA挿入変異体を取得し、ヨトウガ幼虫に被食された変異体における防御遺伝子の発現誘導を解析した。19系統の変異体の中でCPK3とCPK13の変異体は、野生株と比べ、防御遺伝子PDF1.2の発現誘導が著しく抑制されていた。コムギ無細胞タンパク質合成系を用いて作成された植物転写因子ライブラリーから、CDPKによりリン酸化される基質ターゲットに探索した結果、CPK3とCPK13がHsfB2aなどの転写制御因子に対してリン酸化活性を示した。また、CPK3あるいはCPK13を植物にHsfB2aと一過的に共発現することにより、PDF1.2の転写制御は促進された。しかし、シロイヌナズナの高温ストレス応答においてHsfB2aは抑制因子として機能したことから、CPK-HsfB2aの相互作用は食害ストレスと高温ストレスでは異なるメカニズムにより機能することが示唆された。

Calcium-dependent protein kinases (CPKs) have been predicted to mediate the signaling following Ca2+ influx after insect herbivory. To investigate the roles CPKs play in a herbivore response-signaling pathway, we screened the characteristics of Arabidopsis CPK mutants damaged by Spodoptera littoralis. Following insect attack, the cpk3 and cpk13 mutants showed lower transcript levels of plant defensin gene PDF1.2 compared to wild-type plants. In vitro kinase assays of the CPK proteins with a suite of substrates demonstrated that the protein phosphorylates transcription factors (including HsfB2a). In vivo agroinflitaration assays showed that CPK-derived phosphorylation of HsfB2a promotes PDF1.2 transcriptional activation in defense response. Furthermore, both CPKs are involved in the transcript level of heat shock protein (HSP) genes, which resulted in impairment of basal thermotolerance in cpk3 and cpk13 mutants. However, HsfB2a played a role in HSP transcripts as suppressor. These results reveal an intricate array of CPK-associated signal transduction networks that are in part common, but by distinct mechanisms, between plant-insect interactions and heat-shock signal transduction.

Journal

  • Plant and Cell Physiology Supplement

    Plant and Cell Physiology Supplement 2010(0), 0312-0312, 2010

    The Japanese Society of Plant Physiologists

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