PEP7 is a ligand for receptor kinase SIRK1 to regulate aquaporins and root growth

Abstract

Receptor kinases constitute the largest protein family in regulating various responses to external and internal biotic and abiotic signals. Functional characterization of this large protein family and particularly the identification of their ligands remains a major challenge in plant biology. Previously, we identified SIRK1 and QSK1 as a receptor / co-receptor pair involved in regulation of aquaporins in response to osmotic changes induced by sucrose. Here, we now identify a member of the Elicitor Peptide (PEP) family, namely PEP7, as a ligand to receptor kinase SIRK1. PEP7 was shown to bind to the extracellular domain of SIRK1 with a binding constant of 19 µM. PEP7 was secreted to the apoplasm specifically in response to sucrose. Formation of a signaling complex involving SIRK1, QSK1 as well as aquaporins as substrates was induced by sucrose or external PEP7 treatment. PEP7 induced aquaporin phosphorylation and water influx activity. The knock-out mutant of receptor SIRK1 was not responsive to external PEP7 treatment. Binding to receptor SIRK1 and induction of physiological responses was specific to PEP7, neither other members of the PEP-family (PEP6, PEP4), nor other small signaling peptides (CLEs, IDA, RALFs) induced SIRK1 kinase activity, aquaporin phosphorylation, or protoplast water influx activity.

Rezeptorkinasen sind die größte Proteinfamilie, die verschiedene Reaktionen auf externe und interne biotische und abiotische Signale reguliert. Die funktionelle Charakterisierung dieser großen Proteinfamilie und insbesondere die Identifizierung ihrer Liganden bleibt eine große Herausforderung in der Pflanzenbiologie. Zuvor hatten wir SIRK1 und QSK1 als ein Rezeptor/Co-Rezeptor-Paar identifiziert, das an der Regulierung von Aquaporinen als Reaktion auf osmotische Veränderungen durch Saccharose beteiligt ist. Jetzt haben wir ein Mitglied der Familie der Elicitor-Peptide (PEP), nämlich PEP7, als Liganden für die Rezeptor-Kinase SIRK1 identifiziert. Es wurde gezeigt, dass PEP7 mit einer Bindungskonstante von 19 µM an die extrazelluläre Domäne von SIRK1 bindet. PEP7 wurde speziell als Reaktion auf Saccharose in das Apoplasma sezerniert. Die Bildung eines Signalkomplexes, an dem SIRK1, QSK1 sowie Aquaporine als Substrate beteiligt sind, wurde durch Saccharose oder externe PEP7-Behandlung induziert. PEP7 induzierte die Aquaporin-Phosphorylierung und die Aktivität des Wassereinstroms. Die Knock-out-Mutante des Rezeptors SIRK1 reagierte nicht auf eine externe PEP7-Behandlung. Die Bindung an den Rezeptor SIRK1 und die Induktion physiologischer Reaktionen war spezifisch für PEP7. Weder andere Mitglieder der PEP-Familie (PEP6, PEP4) noch andere kleine Signalpeptide (CLEs, IDA, RALFs) induzierten die Kinaseaktivität von SIRK1, die Aquaporin-Phosphorylierung oder die Wassereinstromaktivität in Protoplasten.