気孔孔辺細胞における青色光情報伝達の研究

• Project/Area Number: 13139202
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 島崎 研一郎 九州大学, 大学院・理学研究院, 教授 (00124347)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 土井 道生 (土井 道夫) 九州大学, 高等教育総合開発研究センター, 助手 (00167537) ; 木下 俊則 九州大学, 大学院・理学研究院, 助手 (50271101) ; 和田 元 九州大学, 大学院・理学研究院, 助教授 (60167202)
• Project Period (FY): 2001 – 2004
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2004)
• Budget Amount: ¥67,000,000 (Direct Cost: ¥67,000,000); Fiscal Year 2004: ¥11,200,000 (Direct Cost: ¥11,200,000); Fiscal Year 2003: ¥15,200,000 (Direct Cost: ¥15,200,000); Fiscal Year 2002: ¥17,300,000 (Direct Cost: ¥17,300,000); Fiscal Year 2001: ¥23,300,000 (Direct Cost: ¥23,300,000)
• Keywords: 気孔 / 青色光効果 / 細胞膜H^+-ATPase / フォトトロピン / タイプ1プロテイン / フォスファターゼ / 光情報伝達 / プロトンポンプ / 青色光受容体 / 孔辺細胞 / フシコクシン

Research Abstract

高等植物の青色光受容体フォトトロピンは青色光を感受して、光屈性、葉緑体定位運動、気孔開口運動、葉の横伸展、太陽追尾運動など、多くの反応を仲介する事が次第に明らかになりつつある。気孔孔辺細胞においてはフォトトロピンに受容された光シグナルは最終的には細胞膜H^+-ATPaseを活性化するが、その経路に関しては不明の点が多い。本年度はこの光シグナルの仲介にタイプ1プロテインフォスファターゼが関与する事を証明したので報告する。
まず、ソラマメ孔辺細胞からタイプ1プロテインフォスファターゼをクローニングし、それを大腸菌に発現させ、その酵素活性を確認した。次に、この酵素の活性中心に保存されたアミノ酸を置換したところ、この酵素活性は消失した。ついで、この野生型と変異型の酵素を、孔辺細胞にパーティクルガンを用いて一過的に発現させた。この葉から表皮を剥ぎ取り青色光依存の気孔開口を調べたところ、失活した酵素を発現させた孔辺細胞のみが気孔開口を阻害された。この結果は、変異型のプロテインフォスファターゼがendogenousな酵素と拮抗して基質の取り合いを引き起こし、いわゆるdominant-negative型の作用を引き起こしたと考えられ、この事実は、この情報伝達系にタイプ1プロテインフォスファターゼが関与することを強く示唆している。
次に、動物細胞で知られるタイプ1プロテインフォスファターゼのタンパク質性の特異的阻害剤として知られるinhibitor-2を上記と同様の方法で孔辺細胞に一過的に発現させた。この発現により、青色依存の気孔開口が強く阻害された。この事実は、孔辺細胞の青色光情報伝達系にタイプ1プロテインフォスファターゼが関与する事を強く示唆している。
さらに、上記酵素の阻害剤tautomycinを作用させると、フォトトロピンのリン酸化は阻害されなかったが、細胞膜H^+-ATPaseのリン酸化は強く阻害され、上記の結論を支持している。

Research Products

• [Journal Article] Phototropins promote plant growth in response to blue light in low light environments. (2005)
  • Author(s): Takemiya et al.
  • Journal Title: Plant Cell (in press)
• [Journal Article] A transgene encoding a blue-light receptor, phot1, restores blue-light responses in the Arabidopsis phot1 phot2 double mutant. (2004)
  • Author(s): Doi et al.
  • Journal Title: Journal of Experimental Botany 55 Pages: 517-523
• [Journal Article] Abscisic acid induces rapid subnuclear reorganization in guard cells. (2004)
  • Author(s): Ng et al.
  • Journal Title: Plant Physiol 134 Pages: 1-5
• [Journal Article] Isolation of intact vacuoles and proteomic analysis of tonoplast from suspension-cultured cells of Arabidopsis thaliana. (2004)
  • Author(s): Shimaoka et al.
  • Journal Title: Plant Cell Physiol 45 Pages: 672-683
• [Journal Article] Inhibition of blue light-dependent H^+ pumping by abscisic acid through hydrogen peroxide-induced dephosphorylation of the plasma membrane H^+-ATPase in guard cell protoplasts. (2004)
  • Author(s): Zhang et al.
  • Journal Title: Plant Physiol 136 Pages: 4150-4158
• [Publications] Yamashita et al.: "Evidence for nucleotide-dependent passive H^+ transport protein in the plasma membrane of barley roots."Plant Cell Physiol. 44. 55-61 (2003)
• [Publications] Zhao et al.: "Dual Subcellular distribution of cytochrome b_5 in plant, cauliflower, cells."J.Biochem. 133. 15-121 (2003)
• [Publications] Kinoshita et al.: "Blue-light-and phosphorylation-dependent binding of a 14-3-3 protein to phototropins in stomatal guard cells of broad bean."Plant Physiology. 133. 1453-1463 (2003)
• [Publications] Doi et al.: "A transgene encoding a blue-light receptor, phot1, restores blue-light responses in the Arabidopsis phot1 phot2 double mutant."J.Experimental Botany. 55・396. 517-523 (2004)
• [Publications] Li et al.: "Modulation of an RNA-binding protein by abscisic-acid-activated protein kinase"Nature. 418. 793-797 (2002)
• [Publications] Kinoshita, Shimazaki: "Biochemical evidence for the requirement of 14-3-3 protein binding in activation of the guard-cell plasma membrane H^+-ATPase by blue light"Plant Cell Physiol. 43. 1359-1365 (2002)
• [Publications] Yamashita et al.: "Evidence for nucleotide-dependent passive H^+ transport protein in the plasma membrane of barley roots"Plant Cell Physiol. 44. 55-61 (2003)
• [Publications] Toshinori Kinoshita: "Phot1 phot2 mediate blue light regulation of stomatal opening"Nature. 414. 656-660 (2001)
• [Publications] Toshinori Kinoshita: "Analysis of the phosphorylation level in guard-cell plasma membrane H+ -ATPase in response to Fusicoccin"Plant & Cell Physiology. 42. 424-432 (2001)
• [Publications] Takashi, Emi: "Specific binding of vf14-3-3a isoform to the plasma membrane H+-ATPase in response to blue light and fusicoccinin guard cells of broad beans"Plant Physiology. 125. 1115-1125 (2001)
• [Publications] Misumi Tominaga: "Gurd-cell chloroplasts provides ATP required for H+ pumping in the plasma membrane and stomatal opening"Plant & Cell Physiology. 42. 795-802 (2001)
• [Publications] 島崎研一郎: "植物の光センシング"秀潤社. 192 (2001)