Molecular dissection of peptide signaling in plants

• Project/Area Number: 18H05274
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Broad Section G
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 松林 嘉克 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (00313974)
• Project Period (FY): 2018-06-11 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥192,530,000 (Direct Cost: ¥148,100,000、Indirect Cost: ¥44,430,000); Fiscal Year 2022: ¥39,910,000 (Direct Cost: ¥30,700,000、Indirect Cost: ¥9,210,000); Fiscal Year 2021: ¥39,910,000 (Direct Cost: ¥30,700,000、Indirect Cost: ¥9,210,000); Fiscal Year 2020: ¥39,910,000 (Direct Cost: ¥30,700,000、Indirect Cost: ¥9,210,000); Fiscal Year 2019: ¥39,910,000 (Direct Cost: ¥30,700,000、Indirect Cost: ¥9,210,000); Fiscal Year 2018: ¥32,890,000 (Direct Cost: ¥25,300,000、Indirect Cost: ¥7,590,000)
• Keywords: ペプチドホルモン / 受容体キナーゼ / シロイヌナズナ / 長距離移行シグナル / 受容体 / 形態形成 / 環境応答

Outline of Annual Research Achievements

植物の成長制御に関わる新しい分子群として，内生の分泌型ペプチドホルモンや篩管移行性の非分泌型ペプチド，病原微生物由来の外生ペプチドなどに注目が集まっている．本研究は，ペプチドシグナルの探索や，受容および細胞内情報伝達機構の解明を進め，植物成長の新しい分子機構を明らかにすることを目的としている．
1．分泌型ペプチドホルモン：LRR-RKサブファミリーXIに残された3つのオーファン受容体が，硫酸化ペプチドPSYの認識に関わっていることを突き止め，成長とストレス応答との切り替えに関わることを明らかにした．成果はリバイス中である．
2．篩管移行性非分泌型ペプチド：CEPD/CEPDL2ペプチドはシロイヌナズナで21個の遺伝子からなるファミリーを形成しているが，その中にCEPDとは逆に過剰発現で窒素吸収を抑制する分子群を見出している．多重欠損株と高発現株を作製してCEPDシグナリングとの関係を調べている．
3．外生ペプチドシグナル：植物は，バクテリアべん毛由来のフラジェリンタンパク質中のエピトープペプチドflg22をリガンドとして受容体FLS2を介して認識し，防御応答を活性化させるシステムを持っている．この際，flg22をフラジェリンから切り出すのは植物側の複数のプロテアーゼであるが，C末端側の切り出しに関わる2種類のsubtilaseを生化学的に同定した．2重欠損株では，flg22の切り出し活性が低下することが確かめられたため，病害抵抗性への影響を精査している．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

分泌型ペプチドホルモンの機能解析については，新しいリガンド―受容体ペア（PSY-PSYR）を見出したことで，最大の目的は達成されつつある．論文リバイスを進めつつ，受容体下流の情報伝達経路の解析にも着手している．15Nを用いた安定同位体標識法による定量リン酸化プロテオミクスの系により，RGF，PSK，CIF，CEP，PSYなどのペプチドホルモンの下流で，短時間でリン酸化される初期応答タンパク質群を複数同定した．それぞれについてリン酸化部位のアミノ酸置換体を作製し，ペプチドに対する感受性や表現型の変化を解析している．定量リン酸化プロテオミクスの系はペプチドホルモン初期応答タンパク質群の解析の強力なツールになっている．地上部の篩管特異的ペプチドについては，21種類あるCEPDホモログの中に，CEPDとは逆に，植物体の窒素充足度に応じて窒素吸収を抑制する分子群を見出している．すなわち，植物の窒素恒常性の維持には、CEPDを介した窒素欠乏応答に加えて窒素吸収の抑制メカニズムも関わっていることを見出した点は，新しい概念の提唱につながる発見である．外生ペプチドシグナルについては，flg22を切り出すのは植物側の複数のプロテアーゼを生化学的に同定した．多重欠損株を作成し，その病害抵抗性を評価している．

Strategy for Future Research Activity

分泌型ペプチドホルモンの機能解析については，LRR-RKサブファミリーXIに残された3つのオーファン受容体が，硫酸化ペプチドPSYの認識に関わっていることを突き止め，成長とストレス応答との切り替えに関わることを明らかにした．成果はリバイス中であるため，アクセプトへ向けて詰めの実験を進めていく．また，リン酸化変動プロテオミクスにより，RGF，PSK，CIF，CEP，PSYなどのペプチドホルモンの下流で，短時間でリン酸化される初期応答タンパク質群を複数同定できているため，これらの機能解析も個々に進めていく予定である．篩管移行性非分泌型ペプチドについては，CEPDとは逆に過剰発現で窒素吸収を抑制する分子群を見出したため，これらの機能解析やCEPDとの関連性を調べていく．flg22をフラジェリンから切り出す植物側のプロテアーゼについては，論文化に向けた生理実験を進める．

Assessment Rating

Interim Assessment Comments (Rating)

A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.

Research Products

• [Journal Article] A type 2C protein phosphatase activates high-affinity nitrate uptake by dephosphorylating NRT2.1 (2021)
  • Author(s): Ohkubo Yuri、Kuwata Keiko、Matsubayashi Yoshikatsu
  • Journal Title: Nature Plants Volume: 7 Issue: 3 Pages: 310-316
  • DOI: 10.1038/s41477-021-00870-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Shoot-to-root mobile CEPD-like 2 integrates shoot nitrogen status to systemically regulate nitrate uptake in Arabidopsis (2020)
  • Author(s): Ota Ryosuke、Ohkubo Yuri、Yamashita Yasuko、Ogawa-Ohnishi Mari、Matsubayashi Yoshikatsu
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Issue: 1 Pages: 641-641
  • DOI: 10.1038/s41467-020-14440-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Screening and identification of a non-peptide antagonist for the peptide hormone receptor in Arabidopsis. (2019)
  • Author(s): Shinohara, H., Yasue, N., Onuki, T., Yoshida, M. Matsubayashi, Y.
  • Journal Title: Commun. Biol. Commun Biol. Volume: 2 Issue: 1 Pages: 61-61
  • DOI: 10.1038/s42003-019-0307-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Lateral inhibition by a peptide hormone-receptor cascade during Arabidopsis lateral root founder cell formation. (2019)
  • Author(s): Toyokura K, Goh T, Shinohara H, Shinoda A, Kondo Y, Okamoto Y, Uehara T, Fujimoto K, Okushima Y, Ikeyama Y, Nakajima K, Mimura T, Tasaka M, Matsubayashi Y and Fukaki H.
  • Journal Title: Developmental Cell Volume: 48 Issue: 1 Pages: 64-75
  • DOI: 10.1016/j.devcel.2018.11.031
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pectin RG-I rhamnosyltransferases represent a novel plant-specific glycosyltransferase family (2018)
  • Author(s): Takenaka Yuto、Kato Kohei、Ogawa-Ohnishi Mari、Tsuruhama Kana、Kajiura Hiroyuki、Yagyu Kenta、Takeda Atsushi、Takeda Yoichi、Kunieda Tadashi、Hara-Nishimura Ikuko、Kuroha Takeshi、Nishitani Kazuhiko、Matsubayashi Yoshikatsu、Ishimizu Takeshi
  • Journal Title: Nature Plants Volume: 4 Issue: 9 Pages: 669-676
  • DOI: 10.1038/s41477-018-0217-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] PLENTY, a hydroxyproline O-arabinosyltransferase, negatively regulates root nodule symbiosis in Lotus japonicus (2018)
  • Author(s): Yoro Emiko、Nishida Hanna、Ogawa-Ohnishi Mari、Yoshida Chie、Suzaki Takuya、Matsubayashi Yoshikatsu、Kawaguchi Masayoshi
  • Journal Title: Journal of Experimental Botany Volume: 70 Issue: 2 Pages: 507-517
  • DOI: 10.1093/jxb/ery364
  • NAID: 120007128131
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Exploring peptide hormones in plants: identification of four peptide hormone-receptor pairs and two post-translational modification enzymes (2018)
  • Author(s): MATSUBAYASHI Yoshikatsu
  • Journal Title: Proceedings of the Japan Academy, Series B Volume: 94 Issue: 2 Pages: 59-74
  • DOI: 10.2183/pjab.94.006
  • NAID: 130006339623
  • ISSN: 0386-2208, 1349-2896
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 植物の窒素吸収を制御する長距離移行ペプチド群 (2021)
  • Author(s): 大久保祐里，松林嘉克
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会ワークショップ 『不均一環境変動に対する植物の情報統御機構』
  • Invited
• [Presentation] Receptor kinase signaling in plants: from peptide ligand identification to non-peptide antagonist development. (2019)
  • Author(s): Matsubayashi Y.
  • Organizer: International Symposium on Plant Receptor Kinases and Cell Signaling 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Long-distance peptide signaling involved in systemic regulation of nitrogen acquisition. (2019)
  • Author(s): Matsubayashi Y.
  • Organizer: The International Plant Growth Substances Association (IPGSA) Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Long distance peptide signaling mediating nitrogen homeostasis. (2019)
  • Author(s): Matsubayashi Y.
  • Organizer: International Workshop on Plant Membrane Biology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Long distance peptide signaling mediating nitrogen homeostasis. (2019)
  • Author(s): Matsubayashi Y.
  • Organizer: The 4th International Symposium on the Nitrogen Nutrition of Plants
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Long distance peptide signaling mediating nitrogen homeostasis. (2019)
  • Author(s): Matsubayashi Y
  • Organizer: Frontiers in plant environmental response research
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Long distance peptide signaling mediating nitrogen homeostasis. (2019)
  • Author(s): Matsubayashi Y
  • Organizer: Cold Spring Harbor Asia conference on Plant Cell and Development Biology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Long-distance peptide signaling involved in systemic regulation of nitrogen acquisition (2018)
  • Author(s): Matsubayashi Yoshikatsu
  • Organizer: Sainsbury Laboratory Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Long-distance peptide signaling involved in systemic regulation of nitrogen acquisition (2018)
  • Author(s): Matsubayashi Yoshikatsu
  • Organizer: Frontiers in BioAgricultural Research
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Root-to-shoot and shoot-to-root long-distance mobile peptides mediate systemic regulation of nitrogen acquisition (2018)
  • Author(s): Matsubayashi Yoshikatsu
  • Organizer: SEB's Annual Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Root-to-shoot and shoot-to-root long-distance mobile peptides mediate systemic regulation of nitrogen acquisition (2018)
  • Author(s): Matsubayashi Yoshikatsu
  • Organizer: Keystone Symposia, Plant Signaling: Molecular Pathways and Network Integration
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Book] 窒素取り込みを制御する長距離移行ペプチド群 (2021)
  • Author(s): 大久保祐里，松林嘉克
  • Publisher: アグリバイオ/北隆館
• [Book] 植物の窒素栄養吸収制御の巧みなしくみ (2021)
  • Author(s): 大久保祐里，松林嘉克
  • Publisher: 生化学/日本生化学会
• [Remarks] 細胞間シグナル研究グループHP
  • URL: https://www.bio.nagoya-u.ac.jp/~b2/
• [Remarks] 名古屋大学 大学院理学研究科 生命理学専攻 細胞間シグナル研究グループ（松林嘉克教授）ホームページ
  • URL: https://www.bio.nagoya-u.ac.jp/~b2/index.html
• [Remarks] 名古屋大学 大学院理学研究科 生命理学専攻 細胞間シグナル研究グループ（松林嘉克教授）ホームページ
  • URL: http://www.bio.nagoya-u.ac.jp/~b2/index.html