シロイヌナズナの葉のホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼは、炭素と窒素代謝において重要な役割を果たします

ホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼ（PEPC）は、植物の不可逆的な原発性代謝反応を触媒する重要な酵素です。現在まで、炭素および窒素代謝におけるPEPCのin vivoの役割は、植物では分析されていません。この研究では、植物におけるPEPCの役割を調べ、PPC1とPPC2がシロイヌナズナ（シロイヌナズナ（シロナイナ）の葉のPEPCをコードする高度に発現した遺伝子であり、PPC1とPPC2が葉の総PEPC活性の約93％を占めていることを実証しました。重度の成長逮捕表現型を示す二重変異体であるPPC1/PPC2が構築されました。PPC1/PPC2変異体は、実生を通常の条件下で栽培したときに、野生型植物よりも澱粉とショ糖を蓄積しました。生理学的および代謝分析により、PPC1/PPC2変異体でのPEPC活性の低下が、マリン酸塩とクエン酸塩および重度に抑制されたアンモニウム同化の合成を大幅に減少させることが明らかになりました。さらに、PPC1/PPC2変異体の硝酸塩レベルは、アンモニウム同化の抑制により、野生型植物の硝酸塩レベルよりも有意に低かった。興味深いことに、澱粉とショ糖の蓄積を予防し、PPC1/PPC2変異体に外因性のマレートとグルタミン酸を供給することで硝酸塩レベルを維持することができ、窒素の状態が低いことが炭素代謝の変化をもたらし、デンプンと排泄物の蓄積を促したことを示唆しています。PPC1/PPC2変異体。我々の結果は、葉のPEPCがシロイヌナズナの炭素と窒素代謝のバランスを調節する上で重要な役割を果たすことを示しています。

Phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC) is a crucial enzyme that catalyzes an irreversible primary metabolic reaction in plants.Previous studies have used transgenic plants expressing ectopic PEPC forms with diminished feedback inhibition to examine the role of PEPC in carbon and nitrogen metabolism. To date, the in vivo role of PEPC in carbon and nitrogen metabolism has not been analyzed in plants. In this study, we examined the role of PEPC in plants, demonstrating that PPC1 and PPC2 were highly expressed genes encoding PEPC in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) leaves and that PPC1 and PPC2 accounted for approximately 93% of total PEPC activity in the leaves. A double mutant, ppc1/ppc2, was constructed that exhibited a severe growth-arrest phenotype. The ppc1/ppc2 mutant accumulated more starch and sucrose than wild-type plants when seedlings were grown under normal conditions. Physiological and metabolic analysis revealed that decreased PEPC activity in the ppc1/ppc2 mutant greatly reduced the synthesis of malate and citrate and severely suppressed ammonium assimilation. Furthermore, nitrate levels in the ppc1/ppc2 mutant were significantly lower than those in wild-type plants due to the suppression of ammonium assimilation. Interestingly, starch and sucrose accumulation could be prevented and nitrate levels could be maintained by supplying the ppc1/ppc2 mutant with exogenous malate and glutamate, suggesting that low nitrogen status resulted in the alteration of carbon metabolism and prompted the accumulation of starch and sucrose in the ppc1/ppc2 mutant. Our results demonstrate that PEPC in leaves plays a crucial role in modulating the balance of carbon and nitrogen metabolism in Arabidopsis.