Metal/Metalloid sensing mechanisms in plants

• Project Area: Integrated Biometal Science: Research to Explore Dynamics of Metals in Cellular System
• Project/Area Number: 19H05763
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Osaka Metropolitan University (2022-2023); Osaka Prefecture University (2019-2021)
• Principal Investigator: Takano Junpei 大阪公立大学, 大学院農学研究科, 教授 (70532472)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥82,940,000 (Direct Cost: ¥63,800,000、Indirect Cost: ¥19,140,000); Fiscal Year 2023: ¥15,860,000 (Direct Cost: ¥12,200,000、Indirect Cost: ¥3,660,000); Fiscal Year 2022: ¥15,860,000 (Direct Cost: ¥12,200,000、Indirect Cost: ¥3,660,000); Fiscal Year 2021: ¥15,860,000 (Direct Cost: ¥12,200,000、Indirect Cost: ¥3,660,000); Fiscal Year 2020: ¥15,860,000 (Direct Cost: ¥12,200,000、Indirect Cost: ¥3,660,000); Fiscal Year 2019: ¥19,500,000 (Direct Cost: ¥15,000,000、Indirect Cost: ¥4,500,000)
• Keywords: ホウ素 / トランスポーター / シロイヌナズナ / カスパリー帯 / 亜鉛 / 生命金属 / 植物 / トランスセプター

Outline of Research at the Start

植物は生命金属 (金属やメタロイド) を根で土壌から吸収し、体内を輸送して利用する。植物は生命金属の欠乏や過剰を予防するため、細胞内外の生命金属濃度を感知 (センシング) し吸収・輸送を制御するしくみを備えている。本研究では、これらのしくみを特に輸送タンパク質(トランスポーター)の構造と細胞内局在・分解の関係に着目して明らかにする。研究成果は、土壌中の限られた生命金属の利用効率や蓄積が高い作物や有害金属を蓄積しない作物の作出につなげる。

Outline of Final Research Achievements

The project aimed to understand the transport and sensing mechanisms of essential metals and metalloids in plants. The major outcomes are as follows. 1, A borate transporter BOR1 is down-regulated via endocytosis upon high B supply. Our analysis obtained evidence to support a model where BOR1 senses boron concentration during the transport cycle and regulates its own ubiquitination and degradation. 2. We revealed that BOR1 transport boron to support pollen development in anthers. 3. We showed that the Casparian strip functions as a diffusion barrier to limit the diffusion of excessive boric acid into root steles. 4. We analyzed the intracellular localization of zinc transporters in Arabidopsis.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、植物における必須金属やメタロイドの輸送機構とそれらを制御するための感知機構の理解を目的とした。特にホウ酸のトランスポーターがホウ酸濃度を感知し自己を制御するセンサーとしても働くことを示し、植物のトランスポーターの制御機構として学術的に新しいモデルを提案することができた。研究成果は土壌中の限られた栄養の利用効率や蓄積が高い作物や有害金属を蓄積しない作物の作出につながることが期待される。