植物の窒素栄養恒常性維持の分子メカニズム

• Project/Area Number: 17K07705
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Plant nutrition/Soil science
• Research Institution: Nagoya University (2018); Institute of Physical and Chemical Research (2017)
• Principal Investigator: 木羽 隆敏 名古屋大学, 生命農学研究科, 准教授 (20532097)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2017: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 窒素栄養 / 窒素欠乏 / 恒常性 / 転写因子 / 転写制御 / NIGT1 / 窒素飢餓 / 窒素恒常性 / 窒素不足 / 窒素栄養恒常性 / 植物栄養

Outline of Annual Research Achievements

絶えず変動する窒素栄養環境において、植物がその生命活動を安定的に維持するためには、外環境と体内の窒素栄養状態に応じて個体の窒素栄養恒常性を保つことが極めて重要である。しかし植物がどのように窒素栄養恒常性の乱れを感知・応答・正常化するのかについて、その分子メカニズムの理解は進んでいない。本研究では、①GARP型転写因子群AtNIGT1sを介した窒素恒常性維持の分子メカニズム解明と②窒素恒常性を支える窒素情報伝達ネットワーク解明の二つの観点から研究を進めている。
本年度は①の研究に重点をおき、GARP型転写因子群AtNIGT1sの機能解析を中心に行った。AtNIGT1s変異体・過剰発現体の表現型解析やAtNIGT1sのダイレクトターゲットのゲノムワイドな解析を行った。その結果、AtNIGT1sは直接ターゲット遺伝子に結合し、窒素充足時に窒素欠乏応答の抑制、硝酸補填時に硝酸誘導のフィードバック抑制を担う因子であることを明らかにした。AtNIGT1sによる制御は、窒素栄養環境の変化に応じて窒素栄養の同化・リサイクル（窒素栄養恒常性）を最適化するメカニズムであると思われる。またAtNIGT1sは窒素栄養環境の変化に応じて、リン欠乏応答の制御も行うことも見出しており、植物にとって最も重要な栄養素であるリンと窒素のバランス制御にも関わることが示唆された。これらの結果を“GARP型転写因子群AtNIGT1sによる窒素欠乏応答制御メカニズム”として論文発表した（Kiba et al. 2018）。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

問題なく進捗している。

Strategy for Future Research Activity

本研究には①AtNIGT1sを介した窒素恒常性維持の分子メカニズム解明と②窒素恒常性を支える窒素情報伝達ネットワーク解明の二つの柱がある。①はすでに論文発表を完了した。今後は②の研究を以下のステップで推進する予定である。
１．窒素欠乏応答のレポーターライン（pNRT2.4:GUS）に薬剤により変異を導入した変異体ライブラリーをスクリーニングし、窒素恒常性維持に関わる新規遺伝子を同定する。２．窒素欠乏応答のレポーターライン（pNRT2.4:GFP）を用いたケミカルスクリーニングにより、窒素恒常性維持に影響を与える化合物を探索する。化合物のターゲットを同定することにより、窒素恒常性維持に関わる因子を同定する。３．スクリーニングで得られた変異体、既知の窒素のセンシング、情報伝達、情報統御、転写などに関わる因子の変異体や過剰発現体について、窒素栄養恒常性異常が見られるかを調べる。窒素栄養条件、組織、画分別に窒素含量を調べる。 ４．異常が検出された変異体について、それらの原因因子の分子機能を考慮した上で、多重変異体や形質転換体等を作製することにより遺伝学的相互作用を検証する。またAtNIGT1sを介した系との相互作用も調べる。 ５．情報を集約し、窒素栄養恒常性維持に関わる情報伝達系とそれらのネットワークを明らかにするために必要な実験を適宜行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] INRA(フランス)
• [Int'l Joint Research] INRA(フランス)
• [Journal Article] An efficient DNA- and selectable-marker-free genome-editing system using zygotes in rice. (2019)
  • Author(s): Toda, E., Koiso, N., Takebayashi, A., Ichikawa, M., Kiba, T., Osakabe, K., Osakabe, Y., Sakakibara, H., Kato, N. and Okamoto, T.
  • Journal Title: Nature Plants Volume: 5 Pages: 363-368
  • DOI: 10.1038/s41477-019-0386-z
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Repression of Nitrogen Starvation Responses by Members of the Arabidopsis GARP-Type Transcription Factor NIGT1/HRS1 Subfamily (2018)
  • Author(s): Kiba, T., Inaba, J., Kudo, T., Ueda, N., Konishi, M., Mitsuda, N, Takiguchi, Y., Kondou, Y., Yoshizumi, T., Ohme-Takagi, M., Matsui, M., Yano, K., Yanagisawa, S., and Sakakibara, H.
  • Journal Title: The Plant Cell Volume: 30 Pages: 925-945
  • DOI: 10.1105/tpc.17.00810
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] International Symposium on Long-Distance Signaling in Plants (2018)
  • Author(s): Kiba, T.
  • Journal Title: Plant Cell Physiol. Volume: 59 Pages: 1697-1699
  • DOI: 10.1093/pcp/pcy151
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] SUPERMAN regulates floral whorl boundaries through control of auxin biosynthesis (2018)
  • Author(s): Xu, Y., Prunet, N., Gan, E-S., Wang, Y., Stewart, D., Wellmer, F., Huang, J., Yamaguchi, N., Tatsumi, Y., Kojima, M., Kiba, T., Sakakibara, H., Jack, T.P., Meyerowitz, E.M., Ito, T.
  • Journal Title: The EMBO Journal Volume: -
  • DOI: 10.15252/embj.201797499
  • NAID: 120006478564
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Chromatin-mediated feedforward auxin biosynthesis in floral meristem determinacy (2018)
  • Author(s): Yamaguchi, N., Huang, J., Tatsumi, Y., Abe, M., Sugano, S. S., Kojima, M., Takebayashi, Y., Kiba, T., Yokoyama, R., Nishitani, K., Sakakibara, H., and Ito, T.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 9 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1038/s41467-018-07763-0
  • NAID: 120006549567
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A NIGT1-centred transcriptional cascade regulates nitrate signalling and incorporates phosphorus starvation signals in Arabidopsis (2018)
  • Author(s): Maeda Yoshie、Konishi Mineko、Kiba Takatoshi、Sakuraba Yasuhito、Sawaki Naoya、Kurai Tomohiro、Ueda Yoshiaki、Sakakibara Hitoshi、Yanagisawa Shuichi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 9 Pages: 1376-1376
  • DOI: 10.1038/s41467-018-03832-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Systemic transport of trans-zeatin and its precursor have differing roles in shoots of Arabidopsis. (2017)
  • Author(s): Osugi Asami、Kojima Mikiko、Takebayashi Yumiko、Ueda Nanae、Kiba Takatoshi、Sakakibara Hitoshi
  • Journal Title: Nature Plants Volume: 3 Pages: 17112-17112
  • DOI: 10.1038/nplants.2017.112
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Inter-species hormonal control of host root morphology by parasitic plants (2017)
  • Author(s): Spallek, T., Melnyk, C. W., Wakatake, T., Zhang, J., Sakamoto, Y., Kiba, T., Yoshida, S., Matsunaga, S., Sakakibara, H., Shirasu, K.
  • Journal Title: PNAS Volume: 印刷中 Pages: 5283-5288
  • DOI: 10.1073/pnas.1619078114
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Kinetics of the LOV domain of ZEITLUPE determine its circadian function in Arabidopsis (2017)
  • Author(s): Pudasaini Ashutosh、Shim Jae Sung、Song Young Hun、Shi Hua、Kiba Takatoshi、Somers David E、Imaizumi Takato、Zoltowski Brian D
  • Journal Title: eLife Volume: 6 Pages: 1-27
  • DOI: 10.7554/elife.21646
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Regulation of nitrogen acquisition under low availability and beyond (2019)
  • Author(s): Takatoshi Kiba
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Nitrogen starvation responses in Arabidopsis: transcriptional and metabolic regulations (2019)
  • Author(s): Takatoshi Kiba
  • Organizer: Japan-Taiwan Plant Biology 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] シロイヌナズナにおいてNIGT1転写因子群は窒素条件依存的にリンシグナルを正に調節する (2019)
  • Author(s): 植田佳明，木羽隆敏，柳澤修一
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会
• [Presentation] イネ受精卵を用いたDNAおよび選抜マーカーフリーなゲノム編集技術の確立と他作物種への応用 (2019)
  • Author(s): 戸田絵梨香，古磯成美，Tety Maryenti，竹林有理佳，市川雅子，木羽隆敏，刑部敬史，刑部祐里子，榊原均，加藤紀夫，岡本龍史
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Mechanism of ABCG14-mediated root-to-shoot cytokinin transport (2019)
  • Author(s): 神谷麻友、稲葉ジュン、竹林裕美子、小嶋美紀子、木羽隆敏、榊原均
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 窒素飢餓応答制御とリン飢餓応答制御のクロストーク (2018)
  • Author(s): 木羽隆敏
  • Organizer: 日本植物学会第82回大会
• [Presentation] Regulation of nitrogen acquisition under low availability (2017)
  • Author(s): Takatoshi Kiba
  • Organizer: Bilateral Closure Symposium of GDRI Integrative Plant Biology Network Program
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Structural Variations of Long-Distance Translocated Cytokinins Control the Specificity of the Action in Shoot Growth and Development (2017)
  • Author(s): Takatoshi Kiba
  • Organizer: XIX International Botanical Congress
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 名古屋大学生命農学研究科植物情報分子研究室
  • URL: https://www.agr.nagoya-u.ac.jp/~ck/