Molecular and cell biological elucidation of the multiple functions of pyrophosphate: energy, metabolism, and signaling

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H03177
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 43030:Functional biochemistry-related
• Research Institution: Chubu University
• Principal Investigator: Maeshima Masayoshi 中部大学, 応用生物学部, 教授 (80181577)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 瀬上 紹嗣 基礎生物学研究所, 生物進化研究部門, 助教 (00765935) ; 高田 奈月 (田中奈月) 名古屋大学, 高等研究院(農), 特任助教 (00824070)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: エネルギー変換酵素 / 液胞 / プロトンポンプ / ピロホスファターゼ / ピロリン酸 / 代謝酵素 / 高温耐性酵素

Outline of Final Research Achievements

We focused on vacuolar membrane H+-tranlocating pyrophosphatase (H+-PPase) and soluble pyrophosphatase (soluble PPase) and their substrate, inorganic pyrophosphate (PPi), and obtained the following results.
(a) Gene expression of H+-PPase and soluble PPase affected PPi concentration and supported starch formation in columella cells and glucose synthesis in nectar glands. (b) Experiments with wild type and mutant strains have ruled out the possibility that Arabidopsis thaliana has ability to absorb and utilize PPi from the soil. (c) The cactus H+-PPase was found to be extremely resistant to high temperature and heat stable. Its primary structure is slightly different from that of the mung bean enzyme.

Free Research Field

植物分子生理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

H+-PPaseは植物の液胞膜に局在し、液胞の酸性化能と細胞質PPiを加水分解する機能をもつ。本研究では根端コルメラ細胞に注目した。この細胞ではH+-PPase遺伝子は発現せず液胞も小さい。人為的にコルメラ細胞にH+-PPaseを発現させると重力屈性に必要なデンプン粒の形成が強く抑制された。デンプン合成はPPi濃度が高い条件で進行する。すなわち重力屈性を駆動するコルメラ細胞でのデンプン粒形成、液胞増大を抑制するためにH+-PPase遺伝子の発現を抑制していると推定される。また高温耐性のサボテンのH+-PPaseは50℃で最大活性を示すなど環境に応じたH+-PPaseに進化している知見も得た。