Novel approaches to the analysis of sugar metabolism and redox regulation by using rare sugars

• Project/Area Number: 20K05774
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 38010:Plant nutrition and soil science-related
• Research Institution: Kagawa University
• Principal Investigator: Mochizuki Susumu 香川大学, 農学部, 准教授 (40567020)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 希少糖 / 糖代謝 / レドックス状態 / 活性酸素種 / リン酸糖 / イネ / G6PDH / ホスホグルコースイソメラーゼ / レドックス制御 / D-プシコース / D-アロース / シロイヌナズナ / PGI / グルコース6リン酸デヒドロゲナーゼ / 活性酸素 / 細胞死 / 植物

Outline of Research at the Start

本研究では希少糖の植物に対する作用機作の解明を目的として、希少糖と天然糖との「植物における糖代謝と細胞内レドックス制御の関連性」に関する比較解析を行う。本研究での研究対象は、希少糖D-プシコースやD-アロースを処理した植物におけるA6P生成に関与する「P6P-A6P変換酵素」とA6Pによる細胞の酸化／抗酸化に関与すると考えられる「G6PDH」の特性を知ることであり、モデル植物のイネやシロイヌナズナを用いて「希少糖D-プシコースやD-アロースが植物細胞へのレドックス状態にどのように作用するのか」「植物の糖代謝と細胞のレドックス制御はどのように関連しているか」を解明する。

Outline of Final Research Achievements

This study aimed to clarify the relationship between sugar metabolism and rare sugar-induced disease resistance and redox state regulation in plants through the analysis of the mechanism of effects of the rare sugars, D-allose and D-allulose (D-psicose), on plants. The formation of D-allose 6-phosphate (A6P) is essential for the mode of action of these rare sugars, and experiments using recombinant enzymes and transgenic plants have revealed that the phosphoglucose isomerase (rice OsPGI1/2) catalyze the conversion from the D-allulose 6-phosphate (caused by the D-allulose-treatment) to the A6P, and that the maintenance of G6PDH activity, which leads to an increase in ROS species in D-allose-treated rice plants, might be mediated by the specific stabilization of OsG6PDH1 by the sugar phosphates including the A6P.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の成果は、希少糖による植物の耐病性誘導や一過的生長抑制のメカニズムを明らかにしたものであるが、糖代謝が耐病性誘導に繋がる植物細胞の酸化還元状態に直接的に関与することを示すだけでなく、他のストレス（塩ストレスなど）でも示唆されているG6PDHによる制御が、イネのOsG6PDH1などの細胞質型キー酵素のリン酸糖による安定化によることを示唆するなど、学術的にも重要な知見に繋がるものである。また、希少糖は天然物であり、特にD-アルロース（D-プシコース）やD-アロースは安全性も担保されており、本研究を含めた作用メカニズム研究の成果は、安全な農業資材の確保という社会的意義を持つ重要な知見である。

Research Products

• [Journal Article] Potential of rare sugars, D-allose and D-allulose, as novel agrochemical (2022)
  • Author(s): Mochizuki Susumu、Izumori Ken、Akimitsu Kazuya
  • Journal Title: Japanese Journal of Pesticide Science Volume: 47 Issue: 2 Pages: 60-64
  • DOI: 10.1584/jpestics.W22-26
  • ISSN: 2187-0365, 2187-8692
  • Year and Date: 2022-08-20
• [Journal Article] Structural and biochemical characterizations of Thermus thermophilus HB8 transketolase producing a heptulose (2022)
  • Author(s): Yoshihara Akihide、Takamatsu Yota、Mochizuki Susumu、Yoshida Hiromi、Masui Ryoji、Izumori Ken、Kamitori Shigehiro
  • Journal Title: Applied Microbiology and Biotechnology Volume: 107 Issue: 1 Pages: 233-245
  • DOI: 10.1007/s00253-022-12297-z
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Examination of efficient conditions for production of rare phosphate sugars using sugar-metabolizing enzymes of Escherichia coli (2023)
  • Author(s): Yusei Shimamura, Yuna Matsuoka, Kazushi Matsudaira, Saki Ejima, Akihito Kano, Masashi Sato, Ken Izumori, Susumu Mochizuki, Akihide Yoshihara, Kazuya Ichimura, Kenji Gomi, and Kazuya Akimitsu
  • Organizer: Rare Sugar Congress 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characteristic analysis of Itea virginica transketolase 1 (IvTK1) (2023)
  • Author(s): Towa Inoue, Susumu Mochizuki, Koki Yoshioka, Kouhei Ohtani, Akihide Yoshihara, Kazuya Ichimura, Ken Izumori, and Kazuya Akimitsu
  • Organizer: Rare Sugar Congress 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Functional analysis of rice phosphoglucose isomerase (2023)
  • Author(s): Maho Takezaki, Saki Ejima, Susumu Mochizuki, Akihito Kano, Takeshi Fukumoto, Kazuya Ichimura, Kenji Gomi, Ken Izumori, and Kazuya Akimitsu
  • Organizer: Rare Sugar Congress 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of sugar phosphates on stability and activity of G6PDH1 in rice (2023)
  • Author(s): Shunsuke Ura, Kana Hagihara, Natsuki Ohtani, Ayaka Aki, Akihito Kano, Kouhei Ohtani, Takeshi Fukumoto, Hiromi Yoshida, Akihide Yoshihara, Ken Izumori, Kazuya Ichimura, Kazuya Akimitsu, and Susumu Mochizuki
  • Organizer: Rare Sugar Congress 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Examination of enzymatic properties and reaction conditions of enzymes related to rare sugar metabolism for the production of various rare phosphate sugars (2023)
  • Author(s): Shimamura, Y., Matsudaira, K., Ejima, S., Moriguchi, K., Kano, A., Sato, M., Izumori, K., Mochizuki, S., Yoshihara, A., Ichimura, K., Gomi, K., Akimitsu, K
  • Organizer: Environmental and Resource Genomics and Life Sciences
• [Presentation] Functional analysis of rice phosphoglucose isomerase by a point mutagenesis (2023)
  • Author(s): Takezaki, M., Ejima, S., Mochizuki, S., Kano, A., Fukumoto, T., Ichimura, K., Gomi, K., Izumori, K., Akimitsu, K
  • Organizer: Environmental and Resource Genomics and Life Sciences
• [Presentation] Characteristic analysis of the transketolase in Itea virginica (2023)
  • Author(s): Inoue T., Mochizuki S., Yoshioka K., Ohtani K., Yoshihara A., Ichimura K., Izumori K., Akimitsu K.
  • Organizer: Environmental and Resource Genomics and Life Sciences
• [Presentation] Functional analysis of the N-terminal region of rice G6PDH1 (2023)
  • Author(s): Ura, S., Hagihara, K., Ohtani, N., Aki, A., Kano, A., Fukumoto, T., Ohtani, K., Ichimura, K, Yoshihara, A., Izumori, K., Akimitsu, K. and Mochizuki, S.
  • Organizer: Environmental and Resource Genomics and Life Sciences
• [Presentation] 希少糖の植物への作用 (60)：点変異導入によるイネ phosphoglucose isomeraseの機能解析 (2022)
  • Author(s): 竹﨑真帆, 江島早紀, 望月進, 加野彰人, 福元健志, 小原敏明, 市村和也, 五味剣二, 何森健, 秋光和也
  • Organizer: 令和 4 年度日本植物病理学会関西部会
• [Presentation] 希少糖の植物への作用 (61)：各種希少リン酸糖の生産に向けた希少糖代謝関連酵素の酵素学的諸性質及び反応条件の検討 (2022)
  • Author(s): 島村祐成, 松平一志, 江島早紀, 森口晃希, 加野彰人, 佐藤正資, 何森健, 望月進, 吉原明秀, 市村和也, 五味剣二, 秋光和也
  • Organizer: 令和 4 年度日本植物病理学会関西部会
• [Presentation] 農業資材としての希少糖D-プシコース（D-アルロース）とD-アロースの可能性 (2022)
  • Author(s): 望月進・何森健・秋光和也
  • Organizer: 日本農薬学会
  • Invited
• [Presentation] D-allose作用機構におけるイネG6PDHの機能解析 (2021)
  • Author(s): 萩原奏，大谷夏生，安喜絢花，松平一志，加野彰人，福元健志，大谷耕平，吉田裕美，神鳥成弘，加藤志郎，五味剣二，市村和也，吉原明秀，何森健，秋光和也，望月進
  • Organizer: 日本農芸化学会中四国支部第58回講演会
• [Presentation] 希少糖の植物への作用（55）：P6P/A6P間の触媒反応を担うイネphosphoglucose isomeraseの機能解析 (2020)
  • Author(s): 江島早紀, 加野彰人, 福元健志, 何森健, 小原敏明, 石田豊, 望月進, 市村和也, 五味剣二, 秋光和也
  • Organizer: 令和2年度日本植物病理学会関西部会
• [Presentation] 希少糖の植物への作用（56）：固定化酵素を用いたA6Pの生産法について (2020)
  • Author(s): 島村祐成, 松平一志, 江島早紀, 森口晃希, 加野彰人, 佐藤正資, 何森健, 望月進, 吉原明秀, 市村和也, 五味剣二, 秋光和也
  • Organizer: 令和2年度日本植物病理学会関西部会