植物栄養の吸収と利用の恒常性維持機構の解明

• Project/Area Number: 18J01554
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Plant nutrition/Soil science
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 植田 佳明 東京大学, 生物生産工学研究センター, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: シロイヌナズナ / イネ / 窒素 / 転写因子 / 転写制御 / 機械学習 / ゲノム編集 / 硝酸 / リン / 共発現解析

Outline of Annual Research Achievements

イネの窒素欠乏応答に関わるネットワークの中心部に位置するハブ転写因子に関する解析を進めた。昨年度の遺伝子共発現解析に加え、新たに機械学習による制御経路の推定を行い、それぞれのハブ転写因子の標的遺伝子を推定した。イネのプロトプラストを用いた一過的発現アッセイにより、推定された制御経路を検証したところ、複数のハブ転写因子が互いの発現に影響を及ぼすとともに自己の発現を抑制するという、極めて複雑な制御パターンが示唆された。ハブ転写因子の中から、RLI1、bZIP11とbZIP41を詳細な解析の標的とし、ゲノム編集を用いてこれらの遺伝子のノックアウト体を作製した。rli1変異体、bzip11/41二重変異体の両方において、窒素欠乏条件に応じた遺伝子発現パターンの変化が野生型に比べて弱まっており、これらの転写因子が植物体レベルでの正常な窒素欠乏応答に重要であることが明らかとなった。
栄養応答の時系列パターンのの数理モデルに向けたデータの取得も実施した。硝酸輸送体をコードするNRT2.1遺伝子の抑制因子であるNIGT1転写因子の欠損、およびNRT2.1遺伝子のプロモーター上におけるNIGT1転写因子の結合配列の変異により、そのプロモーターの活性の時系列変化パターンが変化することを確認し、既に明らかにされた制御経路に基づく数理モデルから予測される結果と概ね一致した。その一方で、NIGT1転写因子のmRNAおよびタンパク質の不安定化によりNRT2.1遺伝子のプロモーター活性の時系列パターンに変化が生じるという知見が得られていたが、不安定化配列の付加による安定性の十分な変化は見いだされず、植物体を用いた検証実験が困難であると判断した。その一方で、NIGT1転写因子間の相互作用が、標的DNA配列の認識と適切な栄養応答の調節に重要であるという、当初予期しなかった結果が知見が得られた。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Nitrate‐inducible NIGT1 proteins modulate phosphate uptake and starvation signalling via transcriptional regulation of SPX genes (2020)
  • Author(s): Ueda Yoshiaki、Kiba Takatoshi、Yanagisawa Shuichi
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: 102 Issue: 3 Pages: 448-466
  • DOI: 10.1111/tpj.14637
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Gene regulatory network and its constituent transcription factors that control nitrogen deficiency responses in rice (2020)
  • Author(s): Ueda Yoshiaki、Ohtsuki Namie、Kadota Koji、Tezuka Ayumi、Nagano Atsushi J.、Kadowaki Taro、Kim Yonghyun、Miyao Mitsue、Yanagisawa Shuichi
  • Journal Title: New Phytologist Volume: in press Issue: 5 Pages: 1434-1452
  • DOI: 10.1111/nph.16627
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Delineation of Nitrogen Signaling Networks: Computational Approaches in the Big Data Era (2019)
  • Author(s): Ueda Yoshiaki、Yanagisawa Shuichi
  • Journal Title: Molecular Plant Volume: 12 Issue: 2 Pages: 150-152
  • DOI: 10.1016/j.molp.2019.01.008
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Perception, transduction, and integration of nitrogen and phosphorus nutritional signals in the transcriptional regulatory network in plants (2019)
  • Author(s): Ueda Yoshiaki、Yanagisawa Shuichi
  • Journal Title: Journal of Experimental Botany Volume: 70 Issue: 15 Pages: 3709-3717
  • DOI: 10.1093/jxb/erz148
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Overexpression of a Brix Domain-Containing Ribosome Biogenesis Factor ARPF2 and its Interactor ARRS1 Causes Morphological Changes and Lifespan Extension in Arabidopsis thaliana (2018)
  • Author(s): Shugo Maekawa, Yoshiaki Ueda, Shuichi Yanagisawa.
  • Journal Title: Front. Plant Sci. Volume: 9 Pages: 1177-1177
  • DOI: 10.3389/fpls.2018.01177
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 多品種トランスクリプトームを利用したイネにおける窒素条件を反映した転写制御ネットワークの解析 (2019)
  • Author(s): 植田 佳明、門田 幸二、手塚 あゆみ、永野 惇 、金 容賢、門脇 太朗 、宮尾 光恵、柳澤 修一
  • Organizer: 日本土壌肥料学会2019年度静岡大会
• [Presentation] イネにおけるオゾンストレスおよび窒素栄養応答に関わる分子機構 (2019)
  • Author(s): 植田 佳明
  • Organizer: 第60回大気環境学会年会 植物分科会
  • Invited
• [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] Roles of the NIGT1-centered transcriptional cascade in the regulation of nitrate uptake and responses (2019)
  • Author(s): Konishi Mineko、Ueda Yoshiaki、Yanagisawa Shuichi
  • Organizer: The Plant and Animal Genome XXVII Conference (PAG)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] イネ８品種の窒素応答性の比較解析：生理特性とトランスクリプトームの比較 (2019)
  • Author(s): 門脇 太朗、中島 一博、金 容賢、植田 佳明、柳澤 修一、徳富（宮尾） 光恵
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 多様なイネ栽培種における栄養獲得能力の品種間差と遺伝子発現ネットワーク解析 (2018)
  • Author(s): 植田 佳明、門田 幸二、手塚 あゆみ、永野 惇 、門脇 太朗 、宮尾（徳富） 光恵、柳澤 修一
  • Organizer: 日本土壌肥料学会2018年度神奈川大会
• [Presentation] Nutrient uptake-based phenomics and transcriptomics analyses using diverse rice accessions (2018)
  • Author(s): Ueda Yoshiaki、Kadota Koji、Tezuka Ayumi、Nagano J Atsushi、Kadowaki Taro、Kim Yonghyun、Miyao Mitsue、Yanagisawa Shuichi
  • Organizer: 16th International Symposium on Rice Functional Genomics
  • Int'l Joint Research
• [Book] Transcription factor-based genetic engineering to increase nitrogen use efficiency (2018)
  • Author(s): Ueda Yoshiaki、Yanagisawa Shuichi
  • Total Pages: 19
  • Publisher: Springer Nature
  • ISBN: 9783319929583