新規GT106ファミリーに属するラムノース転移酵素遺伝子の機能解析

• Project/Area Number: 19K16173
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 44030:Plant molecular biology and physiology-related
• Research Institution: Ritsumeikan University
• Principal Investigator: 竹中 悠人 立命館大学, 生命科学部, 助教 (70816149)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 植物細胞壁 / 多糖 / ペクチン / ラムノース転移酵素 / ラムノガラクツロナン-I / ポリマー / 糖転移酵素ファミリー / RG-I

Outline of Research at the Start

ペクチンは世界最大のバイオマスである植物細胞壁の主成分として、エネルギー資源開発分野などで精力的に研究されてきた。ペクチン生合成メカニズムの解明は持続可能な未来のための急務の課題である。本研究では、新たに見出したペクチンを合成する遺伝子の役割や機能を解明することを目的としている。ペクチン合成機構が解明されれば、作物の収量増大技術の開発などへの応用が期待される。

Outline of Annual Research Achievements

植物細胞壁は地上最大のバイオマスであり、我々の日常生活から有用物質生産まで幅広く利活用されている。ペクチンは細胞壁の主成分であり、特に細胞が伸長している時に積極的に生合成される。ペクチンは最も構造が複雑な多糖であるため、その生合成機構は未解明な部分を多く残している。申請者は、蛍光標識したペクチンオリゴ糖を用いて、ペクチンを構成する主要ドメインであるラムノガラクツロナン-I（RG-I）の主鎖生合成に関わるラムノース転移酵素RRTを世界に先駆けて発見した。本研究では、RRT遺伝子をノックアウトした変異体を作出して表現型を解析することで、RRT遺伝子の生体内における機能を明らかにしようと試みた。
RRT遺伝子は当初シロイヌナズナにおいて4つ見出されていたため、それぞれのノックアウト変異体をゲノム編集によって作出した。しかし、予想に反して表現型は野生型と酷似していた。RRT遺伝子を含む糖転移酵素ファミリーGT106を改めて見直し、配列の特徴を調べたところ、RRT1-4の隣接クレード6遺伝子もラムノース転移酵素である可能性が考えられた。そこで、既に変異体の表現型が解析されているFRB1を異種発現させ、ラムノース転移酵素活性を測定した。FRB1はRG-Iオリゴ糖にラムノース残基を転移させたことからRRT遺伝子であることが判明した。これにより、RRTはシロイヌナズナに10遺伝子存在する可能性が強く示唆された。さらにFRB1以外のRRT候補遺伝子を異種発現させたところ、3つの遺伝子で同様の活性が検出できた。
上記の結果を受け、RRT1-10の発現プロファイルを解析したところ、花茎やロゼッタ葉では複数のRRT遺伝子の発現が観察された。一方、花器官では3つのRRT遺伝子が主に発現していることが分かった。
最終年度は、この3遺伝子のノックアウト変異体の作成と解析を試みた。

Research Products

• [Journal Article] Special feature (2020)
  • Author(s): 石水毅、竹中悠人
  • Journal Title: Bulletin of Applied Glycoscience Volume: 10 Issue: 4 Pages: 215-221
  • DOI: 10.5458/bag.10.4_215
  • NAID: 130008047181
  • ISSN: 2185-6427, 2424-0990
  • Year and Date: 2020-11-20
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] [Review] Toward the Elucidation of Molecular Mechanism for Biosynthesis of Pectin in Plant Cell Wal (2020)
  • Author(s): 竹中悠人、石水毅
  • Journal Title: Bulletin of Applied Glycoscience Volume: 10 Issue: 2 Pages: 96-102
  • DOI: 10.5458/bag.10.2_96
  • NAID: 130008047136
  • ISSN: 2185-6427, 2424-0990
  • Year and Date: 2020-05-20
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Diversity of Pectin Rhamnogalacturonan I Rhamnosyltransferases in Glycosyltransferase Family 106 (2020)
  • Author(s): Wachananawat Bussarin、Kuroha Takeshi、Takenaka Yuto、Kajiura Hiroyuki、Naramoto Satoshi、Yokoyama Ryusuke、Ishizaki Kimitsune、Nishitani Kazuhiko、Ishimizu Takeshi
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 11 Pages: 997-997
  • DOI: 10.3389/fpls.2020.00997
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Practical preparation of UDP-apiose and its applications for studying apiosyltransferase (2019)
  • Author(s): Fujimori Tae、Matsuda Ryoko、Suzuki Mami、Takenaka Yuto、Kajiura Hiroyuki、Takeda Yoichi、Ishimizu Takeshi
  • Journal Title: Carbohydrate Research Volume: 477 Pages: 20-25
  • DOI: 10.1016/j.carres.2019.03.011
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Rhamnogalacturonan I galactosyltransferase: Detection of enzyme activity and its hyperactivation (2019)
  • Author(s): Matsumoto Naoki、Takenaka Yuto、Wachananawat Bussarin、Kajiura Hiroyuki、Imai Tomoya、Ishimizu Takeshi
  • Journal Title: Plant Physiology and Biochemistry Volume: 142 Pages: 173-178
  • DOI: 10.1016/j.plaphy.2019.07.008
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The Progression of Xylem Vessel Cell Differentiation is Dependent on the Activity Level of VND7 in Arabidopsis thaliana (2019)
  • Author(s): Hirai Risaku、Higaki Takumi、Takenaka Yuto、Sakamoto Yuki、Hasegawa Junko、Matsunaga Sachihiro、Demura Taku、Ohtani Misato
  • Journal Title: Plants Volume: 9 Issue: 1 Pages: 39-39
  • DOI: 10.3390/plants9010039
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] シロイヌナズナmur1-1胚軸をモデルとした細胞壁の化学/物理学的特性の解析 (2020)
  • Author(s): 九鬼寛明，曽我康一，西垣南歩，竹中悠人，山口雅利，石水毅，高橋大輔，小竹敬久
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Presentation] ペクチンRG-I：ラムノース転移酵素遺伝子RRTの多様性 (2020)
  • Author(s): 竹中悠人
  • Organizer: 新学術領域「植物構造オプト」2020年度若手の会
• [Presentation] 植物細胞壁ペクチン成分ラムノガラクツロナンIラムノース転移酵素遺伝子の糖転移酵素ファミリー106における多様性 (2020)
  • Author(s): Bussarin Wachananawat、黒羽剛、竹中悠人、梶浦裕之、楢元悟史、横山隆亮、石崎公庸、石水毅
  • Organizer: 日本応用糖質学会2020年度大会（第69回）
• [Presentation] 植物糖鎖生合成に関わる新規糖転移酵素 (2020)
  • Author(s): 石水毅、竹中悠人
  • Organizer: 第93会日本生化学会大会シンポジウム「糖鎖関連酵素の新たな姿」
  • Invited
• [Presentation] Biochemical characterization of pectin rhamnogalacturonan I galactosyltransferase (2019)
  • Author(s): Yuto Takenaka, Naoki Matsumoto, Tomoya Imai, Hiroyuki Kajiura and Takeshi Ishimizu
  • Organizer: XV Cell Wall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] UDP-アピオースの調製法とアピインアピオース転移酵素の活性検出 (2019)
  • Author(s): 藤森多恵、松田諒子、鈴木真未、竹中悠人、梶浦裕之、武田陽一、石水毅
  • Organizer: 第20回関西グライコサイエンスフォーラム
• [Presentation] Unveiling pectin biosynthesis-There are more RRTs than we expected- (2019)
  • Author(s): 竹中悠人
  • Organizer: Pectin Lovers Meeting
  • Invited