Exploreing and identification of thermosensing-module that involves in thermoregulation of skunk cabbage.

• Project/Area Number: 19H02918
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 38060:Applied molecular and cellular biology-related
• Research Institution: Iwate University
• Principal Investigator: 伊藤 菊一 岩手大学, 農学部, 教授 (50232434)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2023: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2021: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2020: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2019: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: 発熱植物 / ザゼンソウ / 体温調節 / 温度センシング / 細胞呼吸 / メタボローム解析 / RNA-seq解析

Outline of Research at the Start

一般に植物の体温は外気温の変動とともに変化すると考えられている。しかしながら、寒冷環境で積極的に発熱し、その体温をほぼ一定に調節できるザゼンソウは植物界では希な恒温植物である。このような発熱植物ザゼンソウを対象とした本研究は、「植物はどうやって体温を調節しているのか？」 という生物学上の大きな問題を解き明かそうとするものである。

Outline of Annual Research Achievements

ザゼンソウは早春の寒冷環境で発熱し、外気温の変動にも関わらずその熱産生器官である肉穂花序と呼ばれる花器の温度を23°C程度に維持できる恒温性を有している。本年度の研究においてはザゼンソウの肉穂花序温度を人為的に変化させたサンプルを対象に、RNA-seqによる転写産物の網羅的な解析を行った。その結果、温度低下時の発熱組織において顕著に発現が増大する遺伝子としてホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼキナーゼ（PEPC kinase）を見出した。PEPC kinaseはホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼ（PEPC）をリン酸化し、活性化させることが知られている酵素である。PEPCはミトコンドリアにおけるTCA回路に基質を供給する主要な酵素であり、PEPCのリン酸化による活性調節は本植物の呼吸制御に密接に関わることが予想された。そこで、PEPC kinaseをコードする遺伝子の転写産物の詳細な発現をqRT-PCRにより解析したところ、当該転写産物が発熱組織特異的に発現していることが判明した。さらに、ザゼンソウPEPC kinaseを組換えタンパク質として大腸菌で発現させ、ほぼ単一バンドとして精製することに成功した。一方、PEPC kinaseの基質であるPEPCについては、ザゼンソウ発熱組織抽出物から単一バンドまで精製し、nano LC-MS/MS解析により得られたタンパク質がPEPCのペプチド断片を含むことを確認した。さらに、精製により得られたPEPC標品を基質にPEPC kinaseを用いた試験管内リン酸化反応を行った結果、反応時間に応じたPEPCのリン酸化が観察され、精製したPEPC kinaseがリン酸化活性を有していることが判明した。また、発熱期のザゼンソウ肉穂花序から得られた抽出液に存在するPEPCのリン酸化の状態を解析したところ、その一部がリン酸化されていることを示す結果が得られた。これらの結果は、ザゼンソウ肉穂花序における恒温性メカニズムにPEPCのリン酸化が関与している可能性を示すものである。

Current Status of Research Progress

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

Reason

これまでの研究により、温度変化に鋭敏に反応する遺伝子群が見出され、特に本年度は解糖経路に関わる酵素が温度センシングモデュールの一端を担っている可能性が提示された。この知見は、ザゼンソウの発熱を支える呼吸反応が炭水化物を基質に行われていることとも合致するものである。研究は概ね順調に進行していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

最終年度であるR5年度においては、これまでに得られたトランスクリプトームとメタボロームを組み合わせた解析結果を原著論文として投稿・発表することが重要であると考えている。得られた成果の取りまとめを中心とした研究を推進して行きたい。研究自体の大きな計画変更はない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Sussex(英国)
• [Int'l Joint Research] Unversity of Sussex(英国)
• [Journal Article] 発熱植物ザゼンソウの体温調節システム (2021)
  • Author(s): 1.伊藤 菊一
  • Journal Title: アグリバイオ Volume: 59 Pages: 59-62
  • NAID: 40022590381
• [Journal Article] 発熱植物ザゼンソウの温度制御システム (2021)
  • Author(s): 1.伊藤 菊一
  • Journal Title: 細胞 Volume: 53 Pages: 46-48
  • NAID: 40022573708
• [Journal Article] Degradation of mitochondrial alternative oxidase in the appendices of Arum maculatum (2020)
  • Author(s): Ito Kikukatsu、Ogata Takafumi、Seito Takanari、Umekawa Yui、Kakizaki Yusuke、Osada Hiroshi、Moore Anthony L.
  • Journal Title: Biochemical Journal Volume: 477 Pages: 3417-3431
  • NAID: 120007181265
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] ザゼンソウ熱産生組織における包括的なトランスクリプトーム及びメタボローム解析 (2022)
  • Author(s): 谷本 悠、伊藤 菊一
  • Organizer: 第95回日本生化学会
• [Presentation] ザゼンソウの恒温性に関わる分子メカニズム (2021)
  • Author(s): 江刺家 勇輝、 梅川 結、 伊藤 菊一
  • Organizer: 第94回日本生化学会
• [Presentation] ザゼンソウ肉穂花序におけるGS/GOGAT回路の解析 (2021)
  • Author(s): 澁谷 泰我、 梅川 結、 伊藤 菊一
  • Organizer: 第94回日本生化学会
• [Presentation] ザゼンソウ熱産生組織におけるSBP1の機能に関する研究 (2021)
  • Author(s): 谷本 悠、伊藤 菊一
  • Organizer: 第94回日本生化学会
• [Presentation] 発熱植物ザゼンソウにおけるSBP1遺伝子の発現に関する研究 (2020)
  • Author(s): 谷本 悠、梅川 結、伊藤 菊一
  • Organizer: 第93回日本生化学会大会
• [Presentation] 発熱植物ザゼンソウの無益回路に関する研究 (2019)
  • Author(s): 後藤 広太、梅川 結、伊藤 菊一
  • Organizer: 第92回日本分生化学会大会
• [Presentation] 発熱植物ザゼンソウにおけるtrans-resveratrol di-O-methyltransferaseに関する研究発熱植物ザゼンソウにおけるtrans-resveratrol di-O-methyltransferaseに関する研究 (2019)
  • Author(s): 谷本 悠、梅川 結、伊藤 菊一
  • Organizer: 第92回日本分生化学会大会
• [Presentation] ザゼンソウSBP1遺伝子の発熱組織特異的な発現に関する研究 (2019)
  • Author(s): 谷本 悠、梅川 結、伊藤 菊一
  • Organizer: 日本生化学会東北支部 第85回例会
• [Remarks] プレスリリース
  • URL: https://www.iwate-u.ac.jp/cat-research/2020/10/003599.html