葉緑体の内膜形成から迫る核様体ダイナミクスの制御機構

• Project/Area Number: 19J01779
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 44030:Plant molecular biology and physiology-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 藤井 祥 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 色素体分化 / 核様体 / チラコイド膜 / 葉緑体 / シロイヌナズナ

Outline of Research at the Start

本研究では，植物の色素体におけるDNA構造と遺伝子発現との関係を調べる。被子植物が発芽するとき，内膜構造のない未分化な色素体から複雑なチラコイド膜をもつ葉緑体が分化する。この過程では，色素体DNAが大きく動くとともに，色素体DNAにコードされた遺伝子の発現量も変化する。しかし，色素体のDNA構造と遺伝子発現の関係性は全く分かっていない。色素体DNAは膜に繋留されており，その構造は膜形成とも関係していると考えられる。そこで，色素体の構造が大きく変化する発芽後の過程に着目し，色素体の膜形成，DNA構造と遺伝子発現の間の関係性を追求する。さらに，DNA構造や遺伝子発現制御の鍵となる因子を探求する。

Outline of Annual Research Achievements

2021年度は，葉緑体の分化過程において核様体の形態や機能を司る分子メカニズムについて膜形成に着目した研究を行った。
①チラコイド膜の発達に不可欠な膜脂質ホスファチジルグリセロール（PG）の役割を調べるため，シロイヌナズナのPG欠損変異体におけるマイクロアレイデータを詳細に解析した。PG欠損変異体では，色素体コードのRNAポリメラーゼ（PEP）によって転写される色素体遺伝子の発現が特に強く低下したことから，PGがPEPの機能に深く関わる可能性を提唱した。この成果はJournal of Experimental Botany誌上で発表した。
②PEPによる転写パターンをゲノムワイドに明らかにするため，クロマチン免疫沈降とハイスループットシーケンシングの組み合わせ（ChIP-seq）により，PEPのDNA結合特性を解析した。その結果，PEPがtRNA・rRNA領域や転写開始点近傍と強く相互作用する傾向を見出した。また色素体のシグマ転写因子（SIG）のSIG2とSIG6が特異的なtRNA遺伝子の転写を誘導する可能性を提唱した。成果は査読付きの学術誌に投稿中である。色素体シーケンスデータ可視化ツールPlavistoも公表した。
③核様体の膜アンカーが核様体の形態と機能に与える影響を明らかにするため，シロイヌナズナを用いて膜アンカータンパク質MFP1の機能を解析した。mfp1変異体では核様体が凝集し，色素体DNAのコピー数も減少することを発見した。強光照射時のPEPによる急速な転写誘導が，mfp1変異体では抑制されることをChIP-seq法により突き止めた。MFP1による核様体の膜アンカーが，核様体の膜上での分配とストレス条件下における効率的な色素体遺伝子の発現に重要であり，植物の柔軟な環境応答に貢献する可能性を示唆している。この成果については，現在論文化の作業を進めている。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ミシガン大学(米国)
• [Int'l Joint Research] ミシガン大学(米国)
• [Int'l Joint Research] 国際分子細胞生物学研究所(ポーランド)
• [Journal Article] Impacts of phosphatidylglycerol on plastid gene expression and light induction of nuclear photosynthetic genes (2022)
  • Author(s): Sho Fujii, Koichi Kobayashi, Ying-Chen Lin, Yu-chi Liu, Yuki Nakamura, Hajime Wada
  • Journal Title: Journal of Experimental Botany Volume: - Issue: 9 Pages: 2952-2970
  • DOI: 10.1093/jxb/erac034
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-resolution map of plastid encoded polymerase binding patterns demonstrates a major role of transcription in chloroplast gene expression (2022)
  • Author(s): Palomar V. Miguel、Jaksich Sarah、Fujii Sho、Kucinski Jan、Wierzbicki Andrzej T.
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2022.01.18.476797
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Blue Light Regulates Phosphate Deficiency-Dependent Primary Root Growth Inhibition in Arabidopsis (2020)
  • Author(s): Yeh Chuan-Ming, Kobayashi Koichi, Fujii Sho, Fukaki Hidehiro, Mitsuda Nobutaka, Ohme-Takagi Masaru
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 10 Pages: 1803-1803
  • DOI: 10.3389/fpls.2019.01803
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Evolutionary history and activity of RNase H1-like proteins in Arabidopsis thaliana (2020)
  • Author(s): Kucinski Jan, Chamera Sebastian, Kmera Aleksandra, Rowley M Jordan, Fujii Sho, Khurana Pragya, Nowotny Marcin, Wierzbicki Andrzej T
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 印刷中 Issue: 6 Pages: 1107-1119
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa040
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Role of Galactolipids in Plastid Differentiation Before and After Light Exposure (2019)
  • Author(s): Fujii S,Wada H, Kobayashi K
  • Journal Title: Plants Volume: 8 Issue: 10 Pages: 357-357
  • DOI: 10.3390/plants8100357
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 葉緑体分化時に核様体を広げる膜アンカー因子MFP1 (2021)
  • Author(s): 藤井祥，鹿内利治，西村芳樹
  • Organizer: 第11回日本光合成学会年会
• [Presentation] 葉緑体分化時の遺伝子発現を支える核様体の膜アンカー因子MFP1 (2021)
  • Author(s): 藤井祥，鹿内利治，西村芳樹
  • Organizer: 日本植物学会第86回大会
• [Presentation] 葉緑体分化時の核様体の分散にはMFP1 による色素体DNA の膜アンカーが必要である (2021)
  • Author(s): 藤井祥，鹿内利治，西村芳樹
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 核様体の膜アンカーは葉緑体分化時の核様体の分散に必要である (2020)
  • Author(s): 藤井祥，鹿内利治，西村芳樹
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Presentation] 葉緑体の分化過程におけるガラクト脂質の重要性 (2019)
  • Author(s): 藤井祥，永田典子，増田建，和田元，小林康一
  • Organizer: 第10回日本光合成学会年会
• [Presentation] 葉緑体分化過程における光合成関連遺伝子の発現にはガラクト脂質の合成が必要である (2019)
  • Author(s): 藤井祥，永田典子，増田建，和田元，小林康一
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] 葉緑体分化過程におけるガラクト脂質合成と光合成関連遺伝子の発現との関係 (2019)
  • Author(s): 藤井祥，永田典子，増田建，和田元，小林康一
  • Organizer: 第32回植物脂質シンポジウム
• [Presentation] 膜形成とDNA構造から解き明かす葉緑体分化のからくり (2019)
  • Author(s): 藤井祥
  • Organizer: Midwest Research Conference 2019・第108回ミシガン金曜会研究会合同大会