Mechanism and physilogical significance of tissue damage-independent glucosinolate breakdown in plants

• Project/Area Number: 18K14348
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 37020:Chemistry and chemical methodology of biomolecules-related
• Research Institution: Chiba University (2022-2023); Institute of Physical and Chemical Research (2018-2019)
• Principal Investigator: Sugiyama Ryosuke 千葉大学, 大学院薬学研究院, 助教 (10779664)
• Project Period (FY): 2021-11-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: グルコシノレート / メタボロミクス / 二次代謝 / 同位体ラベル / 統合オミクス解析 / ストレス応答

Outline of Research at the Start

植物は生存戦略の一環として，１つの化合物群を巧みに制御してさまざまな生理機能を持たせることがある。例えば主にアブラナ科に含まれる二次代謝産物であるグルコシノレートは，外敵に対する化学的防御物質であると同時に，植物自身の生命活動を制御するシグナルとしてもはたらくと考えられている。本研究ではシグナル分子としてのグルコシノレートの機能解明を目指し，生理活性を発揮する起点である分解プロセスを解析する。同位体ラベルなどの合成化学的手法と，各種質量分析装置を駆使したメタボローム解析を組み合わせて分解産物のプロファイリングを行い，組織破壊を伴わない細胞レベルのグルコシノレート分解現象を明らかにする。

Outline of Final Research Achievements

Glucosinolate (GLS) is a class of plant defense chemicals which releases toxic volatiles such as isothiocyanates upon tissue damage. Such breakdown products function as defense chemicals against herbivores as well as broad biotic/abiotic stress factors while the mechanism underlying GLS degradation independent of tissue damage remained unclear. During the grant suppport, we revealed the following points:
1) Arabidopsis thaliana can utilize glucosinolates as the sole sulfur source; 2) the sulfur atom forming the thioglucosidic bond is catabolized back into sulfur-containing primary metabolites such as cysteine; 3) BGLU28 and BGLU30 are the key enzymes responsible for GLS breakdown under sulfur deficiency. These findings demonstrate the bidirectional interaction between primary and specialized metabolism in plants.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

二次代謝産物が一次代謝へとリサイクルされる可能性は古くは1980年代に指摘があるが，実験的に証明されはじめたのはごく最近であり，本発見は，体内に蓄えた二次代謝産物を栄養源として分解・再利用するシステムが植物に備わっている生化学的根拠を明確に示した初の事例である。一方通行と考えられている一次代謝と二次代謝の関係に一石を投じたことで大きなインパクトを与え、PNAS誌に掲載された。化合物を「作る」生合成経路だけでなく、化合物を「減らす」代謝フローにも目を向けることで、植物体内での複雑な物質生産制御機構やその意義のさらなる理解につながると期待される。

Research Products

• [Journal Article] 二次代謝産物の生産意義を読み解く分野横断的アプローチ (2022)
  • Author(s): 杉山 龍介
  • Journal Title: Seibutsu-kogaku Kaishi Volume: 100 Issue: 5 Pages: 236-239
  • DOI: 10.34565/seibutsukogaku.100.5_236
  • ISSN: 0919-3758, 2435-8630
  • Year and Date: 2022-05-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Glutathione Degradation Activity of γ-Glutamyl Peptidase 1 Manifests Its Dual Roles in Primary and Secondary Sulfur Metabolism in Arabidopsis. (2022)
  • Author(s): Ito, T., Kitaiwa, T., Nishizono, K., Umahashi, M., Miyaji, S., Agake, S., Kuwahara, K., Yokoyama, T., Fushinobu, S., Maruyama-Nakashita, A., Sugiyama, R., Sato, M., Inaba, J., Hirai, M. Y., Ohkama-Ohtsu, N.
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: 111 Issue: 6 Pages: 1626-1642
  • DOI: 10.1111/tpj.15912
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 植物二次代謝産物のリサイクル経路を発見－防御物質グルコシノレートは硫黄の栄養源として再利用される (2022)
  • Author(s): 杉山 龍介, 平井 優美
  • Journal Title: 化学と生物 Volume: 60 Pages: 264-266
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Atypical Myrosinase as a Mediator of Glucosinolate Functions in Plants (2019)
  • Author(s): Sugiyama, R. and Hirai, M. Y.
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 10 Pages: 1008-1008
  • DOI: 10.3389/fpls.2019.01008
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A cheminformatics approach to characterize metabolomes in stable-isotope-labeled organisms (2019)
  • Author(s): Tsugawa Hiroshi、Nakabayashi Ryo、Mori Tetsuya、Yamada Yutaka、Takahashi Mikiko、Rai Amit、Sugiyama Ryosuke、Yamamoto Hiroyuki、Nakaya Taiki、Yamazaki Mami、Kooke Rik、Bac-Molenaar Johanna A.、Oztolan-Erol Nihal、Keurentjes Joost J. B.、Arita Masanori、Saito Kazuki
  • Journal Title: Nature Methods Volume: 16 Issue: 4 Pages: 295-298
  • DOI: 10.1038/s41592-019-0358-2
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Leaf Endoplasmic Reticulum Bodies Identified in Arabidopsis Rosette Leaves Are Involved in Defense against Herbivory (2019)
  • Author(s): Nakazaki Akiko、Yamada Kenji、Kunieda Tadashi、Sugiyama Ryosuke、Hirai Masami Yokota、Tamura Kentaro、Hara-Nishimura Ikuko、Shimada Tomoo
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 179 Issue: 4 Pages: 1515-1524
  • DOI: 10.1104/pp.18.00984
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 植物二次代謝産物のリサイクル経路を予測する (2023)
  • Author(s): 杉山 龍介，山崎 真巳
  • Organizer: 日本農芸化学会 ２０２３年度大会
  • Invited
• [Presentation] Recycle of nutrients from secondary to primary metabolites: Glucosinolate breakdown regulated by “atypical” thioglucosidases initiates unique sulfur catabolism. (2019)
  • Author(s): 杉山龍介
  • Organizer: 東京大学大学院農学生命科学研究科 応用生命工学・微生物学研究室 特別セミナー（化学コミュニケーションのフロンティア）
  • Invited
• [Presentation] 硫黄欠乏条件におけるグルコシノレート分解の分子機構 (2019)
  • Author(s): 杉山 龍介，桑原 亜由子，平井 優美
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナ本葉における恒常型ER bodyの食害抑止機能の解析 (2019)
  • Author(s): 中崎 淳子，山田 健志，國枝 正，杉山 龍介，平井 優美，田村 謙太郎，西村 いくこ，嶋田 知生
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Glucosinolate breakdown in Arabidopsis thaliana without tissue disruption. (2018)
  • Author(s): Sugiyama, R., Kuwahara, A., Hirai, M. Y.
  • Organizer: 11th International Plant Sulfur Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 組織傷害非依存的な新規グルコシノレート分解機構の発見 (2018)
  • Author(s): 杉山 龍介，桑原 亜由子，平井 優美
  • Organizer: 第60回天然有機化合物討論会
• [Remarks] 理化学研究所 環境資源科学研究センター 代謝システム研究チーム
  • URL: http://metabolicsystem.riken.jp/index.html