ラジオアイソトープ、微少電極、蛍光プローブを相補的に用いた植物根のイオン輸送解析

• Project/Area Number: 19KK0148
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 38:Agricultural chemistry and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 田野井 慶太朗 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 教授 (90361576)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小林 奈通子 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 准教授 (60708345) ; 杉田 亮平 名古屋大学, アイソトープ総合センター, 講師 (60724747)
• Project Period (FY): 2019-10-07 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥18,590,000 (Direct Cost: ¥14,300,000、Indirect Cost: ¥4,290,000); Fiscal Year 2023: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2022: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2021: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2020: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2019: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 放射性トレーサー / マグネシウム / ナトリウム / 植物 / イオン / 放射性同位体 / 蛍光寿命イメージング法 / 微小イオン電極測定装置 / ラジオアイソトープ利用 / イオン輸送解析

Outline of Research at the Start

本研究では、植物がイオン環境の変化を検知し迅速に対応するメカニズムには細胞質内イオン濃度の変動が直接的に関わっているとの仮説を立て、これを国際共同研究において検証する。従来から、イオンの欠乏や過剰に応じた細胞内シグナリングにおいては、細胞質内イオン濃度変化を起点とするモデルが想定されている。しかしながら、実際に細胞質内イオン濃度変化とイオン吸収速度変化を同組織部位で測定した例はほとんどなく、イオン環境を検知する分子は不明である。本研究では、迅速な環境応答の一つである根のイオン吸収活性を把握しながら細胞質内イオン濃度の情報を得ることで、植物のイオン環境検知メカニズムの解明にせまる。

Outline of Annual Research Achievements

最終年度、マグネシウムイオン輸送の解析については、植物体内のマグネシウム濃度を調べるための蛍光プローブについて、一過的発現系により核局在なものとサイトゾルを含む全体に発現させたものの２つを準備することができた。この時培地のマグネシウム濃度の変化に合わせて細胞内マグネシウム濃度変化も観察することができた。加えて、野生型株間でマグネシウム濃度が異なる品種間差について、QTL-seqに続く詳細なマッピングを行った結果、おおよそ４遺伝子まで候補を絞ることに成功した。
また、最終年度のナトリウムイオン輸送の解析については、放射性同位体ナトリウム２２を用いることで、植物の根において根端のみならず根の成熟領域でも広くナトリウムが排出されていること、また排出を担う輸送タンパク質はSOS1であることを明らかにした。その際、葉から根へと師管を利用してrecirculationされるナトリウムのほとんどすべてが、SOS1によって根の成熟領域から根圏へと排出されることが明らかとなった。シロイヌナズナにはSOS1を利用した極めて高いNa排出機構が備わっていることが明らかとなった。SOS1の発現場所については蛍光タンパク質および免疫染色で確認を進めているが、従来多数報告されている「細胞膜」以外の細胞内小器官に存在する量がむしろ多いことが示されているなど、SOS1研究の新しい局面を発見することができた。この局在については予想外のことであり、次に取り組むべき大きな課題となった。
研究期間全体を通じ、マグネシウム、ナトリウムともに、放射性同位体を用いた解析手法の幅が広げることができた。さらには、当初の目的である、微小電極法や蛍光プローブを用いた相補的解析も狙いどおり進めることができた。特に、マグネシウムについては蛍光プローブの開発、ナトリウムについては微小電極法による解析を進めることができた。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Fudan University 復旦大学(中国)
• [Int'l Joint Research] タスマニア大学(オーストラリア)
• [Int'l Joint Research] 復旦大学(中国)
• [Int'l Joint Research] タスマニア大学(オーストラリア)
• [Int'l Joint Research] ミラノ大学(イタリア)
• [Journal Article] Development of the Experimental Method to Evaluate Sodium Ion Exclusion in the Mature Root Zone of <i>Arabidopsis thaliana</i> (2023)
  • Author(s): Nagata Tomoki、Nagoya Mio、Ogura Takaaki、Kurita Yuko、Kobayashi Natsuko I.、Tanoi Keitaro
  • Journal Title: RADIOISOTOPES Volume: 72 Issue: 3 Pages: 235-245
  • DOI: 10.3769/radioisotopes.72.235
  • ISSN: 0033-8303, 1884-4111
  • Year and Date: 2023-11-15
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mutations in RZF1, a zinc-finger protein, reduce magnesium uptake in roots and translocation to shoots in rice (2023)
  • Author(s): Kobayashi Natsuko I、Takagi Hiroki、Yang Xiaoyu、Nishizawa-Yokoi Ayako、Segawa Tenta、Hoshina Tatsuaki、Oonishi Takayuki、Suzuki Hisashi、Iwata Ren、Toki Seiichi、Nakanishi Tomoko M、Tanoi Keitaro
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 192 Issue: 1 Pages: 342-355
  • DOI: 10.1093/plphys/kiad051
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of the Practical Method for Ion Influx, Efflux, and Net Flux Measurement in Plant Roots (2022)
  • Author(s): Kobayashi Natsuko I.、Yang Xiaoyu、Iwata Ren、Suzuki Hisashi、Nakanishi Tomoko M.、Tanoi Keitaro
  • Journal Title: RADIOISOTOPES Volume: 71 Issue: 3 Pages: 179-184
  • DOI: 10.3769/radioisotopes.71.179
  • ISSN: 0033-8303, 1884-4111
  • Year and Date: 2022-11-15
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mutagenesis Analysis of GMN Motif in Arabidopsis thaliana Mg2+ Transporter MRS2-1 (2022)
  • Author(s): Yang Xiaoyu、Kobayashi Natsuko I、Hayashi Yoshiki、Ito Koichi、Moriwaki Yoshitaka、Terada Tohru、Shimizu Kentaro、Hattori Motoyuki、Iwata Ren、Suzuki Hisashi、Nakanishi Tomoko M、Tanoi Keitaro
  • Journal Title: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Volume: - Pages: 870-874
  • DOI: 10.1093/bbb/zbac064
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 5. Mechanism of magnesium transport in plants (2021)
  • Author(s): 田野井 慶太朗
  • Journal Title: Japanese Journal of Soil Science and Plant Nutrition Volume: 92 Issue: 2 Pages: 108-113
  • DOI: 10.20710/dojo.92.2_108
  • NAID: 130008024150
  • ISSN: 0029-0610, 2424-0583
  • Year and Date: 2021-04-05
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Bioimaging of mineral elements in plants (2021)
  • Author(s): 馬 建鋒、田野井 慶太朗、古川 純、鈴井 伸郎、Wang Peng、山地 直樹、高野 順平
  • Journal Title: Japanese Journal of Soil Science and Plant Nutrition Volume: 92 Issue: 2 Pages: 213-218
  • DOI: 10.20710/dojo.92.2_213
  • NAID: 130008024116
  • ISSN: 0029-0610, 2424-0583
  • Year and Date: 2021-04-05
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Short-Term Magnesium Deficiency Triggers Nutrient Retranslocation in Arabidopsis thaliana (2020)
  • Author(s): Ogura Takaaki、Kobayashi Natsuko I.、Hermans Christian、Ichihashi Yasunori、Shibata Arisa、Shirasu Ken、Aoki Naohiro、Sugita Ryohei、Ogawa Takahiro、Suzuki Hisashi、Iwata Ren、Nakanishi Tomoko M.、Tanoi Keitaro
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 11 Pages: 563-563
  • DOI: 10.3389/fpls.2020.00563
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Altered magnesium uptake and movement in rice due to mutations in the RZF1 zinc-finger protein (2024)
  • Author(s): Keitaro Tanoi
  • Organizer: International workshop on plant mineral transport
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Interaction of Arabidopsis vacuolar magnesium ion transporter MRS2-1 with calmodulin-like protein CML13 (2024)
  • Author(s): Xiaoyu Yang, Motoyuki Hattori, Shunsuke Watanabe, Mitsunori Seo, Natsuko I. Kobayashi, Yuko Kurita, Keitaro Tanoi
  • Organizer: 日本植物生理学会年会
• [Presentation] 22Na＋と組織特異的にSOS1を発現させたシロイヌナズナ形質転換体を 用いた根におけるNa+排出能の解析 (2023)
  • Author(s): 永田知輝，名兒耶美緒，小倉尚晃, 栗田 悠子, 小林 奈通子, 田野井 慶太朗
  • Organizer: 第60回アイソトープ・放射線研究発表会
• [Presentation] 多くの陸上植物にとって不要であるナトリウムに対する植物の対応 (2023)
  • Author(s): 田野井慶太朗
  • Organizer: 生命金属科学シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Study on the functional site of sodium ion exclusion by Na+/H+ antiporter SALT OVERLY SENSITIVE1 in plant root (2023)
  • Author(s): NAGATA, Tomoki; NAGOYA, Mio; OGURA, Takaaki; KURITA, Yuko; KOBAYASHI, Natsuko I; TANOI, Keitaro
  • Organizer: 第22回生命科学シンポジウム
• [Presentation] Functional Analysis of Arabidopsis Magnesium Ion Transporter AtMRS2-1 (2023)
  • Author(s): Xiaoyu Yang, Natsuko I. Kobayashi , Yoshiki Hayashi, Koichi Ito ,Motoyuki Hattori, Yoshitaka Moriwaki , Keitaro Tanoi
  • Organizer: the 33rd International Conference on Arabidopsis Research (ICAR2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] イネにおけるCorA型イオン輸送体OsMRS2-8の機能解析 (2023)
  • Author(s): 小林奈通子、楊笑雨、横井彩子、栗田悠子、林良樹、伊藤耕一、田野井慶太朗
  • Organizer: 日本土壌肥料学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナ根でのNa+/H+アンチポーターSOS1によるNa+排出部位の解析 (2023)
  • Author(s): 永田知輝、名兒耶美緒、小倉尚晃、栗田悠子、小林奈通子、田野井慶太朗
  • Organizer: 日本土壌肥料学会年会
• [Presentation] シンチレータの植物研究応用 (2023)
  • Author(s): 田野井慶太朗
  • Organizer: 応用物理学会第70回春季大会
• [Presentation] Na+/H+アンチポーターSOS1を組織特異的に発現させたシロイヌナズナにおけるナトリウム耐性評価 (2023)
  • Author(s): 名兒耶美緒、永田知輝、小倉尚晃、小林奈通子、田野井慶太朗
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] マグネシウム含量の低いイネ変異体の解析と原因遺伝子OsRZF1の同定 (2023)
  • Author(s): 小林奈通子, 高木宏樹, 楊笑雨, 横井彩子, 瀬川天太, 星名辰信, 大西孝幸, 鈴木寿, 岩田錬, 土岐精一, 中西友子, 田野井慶太朗
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 22Na を用いた経時的イメージングによる組織特異的にSOS1 が発現する植物のナトリウム排出能の評価 (2022)
  • Author(s): 名兒耶美緒、小倉尚晃、杉田亮平、小林奈通子、中西友子、田野井慶太朗
  • Organizer: 第59回アイソトープ・放射線研究発表会
• [Presentation] 植物 Mg2+輸送体 AtMRS2-1 の 28Mg を用いた大腸菌での輸送研究 (2022)
  • Author(s): YANG Xiaoyu; KOBAYASHI Natsuko I.; HAYASHI Yoshiki; ITO Koichi; TANOI Keitaro
  • Organizer: 第59回アイソトープ・放射線研究発表会
• [Presentation] 低分子化合物ライブラリーを対象とした新規有機シンチレータの探索 (2022)
  • Author(s): 田野井 慶太朗、杉田 亮平、山下 真一、八木亜樹子、佐藤 綾人、伊丹 健一郎
  • Organizer: 第59回アイソトープ・放射線研究発表会
• [Presentation] 液胞局在型マグネシウム輸送体の機能解析 (2022)
  • Author(s): 小林奈通子・楊 笑雨 ・大西麻美・栗田悠子・加藤美砂子 ・田野井慶太朗
  • Organizer: 日本土壌肥料学会2022年度東京大会
• [Presentation] Mutagenesis Analysis of Arabidopsis Magnesium Ion Transporter AtMRS2-1 (2022)
  • Author(s): 楊笑雨、小林奈通子、林良樹、伊藤耕一、服部素之、森脇由隆、田野井慶太朗
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Cell Type-Specific Functional Analysis of Sodium Ion Transporter SOS1 in Roots (2022)
  • Author(s): Takaaki Ogura, Mio Nagoya, Ryohei Sugita, Natsuko I. Kobayashi, Tomoko M. Nakanishi and Keitaro Tanoi
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Evaluation of root sodium exclusion ability in plants with tissue-specific expression of SOS1 using real-time radioisotope imaging 組織特異的にSOS1が発現する植物における放射性同位体の経時的イメージングを用いた根のナトリウム排出能の評価 (2022)
  • Author(s): 名兒耶美緒、小倉尚晃、杉田亮平、小林奈通子、中西友子、田野井慶太朗
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Identification of QTL Regulating Leaf Magnesium Concentration by Natural Accessions in Arabidopsis thaliana シロイヌナズナ野生系統を用いた葉内マグネシウム濃度を制御するQTLの探索 (2022)
  • Author(s): Akane Kodaka, Natsuko I. Kobayashi, Toru Kudo, Misako Kato, Keitaro Tanoi
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Metal Ion Transport Study of Plant Mg2+ Transporter AtMRS2-1 Using E. coli, (2021)
  • Author(s): Yang X, Kobayashi NI, Hayashi Y, Ito K, Hattori M, Moriwaki Y, and Tanoi K
  • Organizer: AAAS Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Radioimaging and lon Flux Analysis Identify Sodium lon Efflux Sites in Plant Roots (2021)
  • Author(s): Takaaki Ogura, Ryohei Sugita, Natsuko I. Kobayashi, Tomoko M. Nakanishi, Lana Shabala, Sergey Shabala, and Keitaro Tanoi
  • Organizer: AAAS Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マグネシウム含量が半減するイネ変異体の解析 (2021)
  • Author(s): 小林奈通子、高木宏樹、大西孝幸、鈴木寿、岩田錬、市橋泰範、櫻井彩子、土岐精一、中西友子、田野井慶太朗
  • Organizer: 土壌肥料学会2021年度北海道大会
• [Presentation] 放射性同位体イメージングと植物への応用例～放射性同位体実験へのお誘い～ (2021)
  • Author(s): 田野井 慶太朗
  • Organizer: 日本植物学会第85回大会
• [Presentation] 植物の長距離輸送を調べるためのβ- 線放出核種の非破壊イメージング手法 (2020)
  • Author(s): 田野井慶太朗、杉田亮平、中西友子
  • Organizer: 日本土壌肥料学会年会 岡山大会
• [Presentation] Short-term Magnesium Deficiency Triggers Nutrient Retranslocation in Arabidopsis thaliana （シロイヌナズナにおけるマグネシウム欠乏初期応答としての栄養元素の再転流） (2020)
  • Author(s): 小倉尚晃，小林奈通子，Hermans, Christian，大前芳美，市橋泰範，柴田ありさ，白須賢，青木直大，杉田亮平，小川隆宏，鈴木寿，岩田錬，中西友子，田野井慶太朗
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] マグネシウム欠乏シロイヌナズナにおける14CO2を用いた光合成速度および光合成産物の転流速度の評価 （14CO2 radiotracer experiment reveals the effects of magnesium deficiency on photosynthesis and photosynthate translocation in Arabidopsis thaliana） (2019)
  • Author(s): 小倉尚晃，小林奈通子，小川隆宏，杉田亮平，中西友子，田野井慶太朗
  • Organizer: 第56回アイソトープ・放射線研究発表会
• [Presentation] Low magnesium conditions rapidly induce high-affinity magnesium transport system in Arabidopsis roots 18th International Workshop on Plant Membrane Biology (2019)
  • Author(s): Takaaki Ogura, Natsuko I. Kobayashi, Hisashi Suzuki, Ren Iwata, Tomoko M. Nakanishi and Keitaro Tanoi
  • Organizer: International Workshop on Plant Membrane Biology 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Na-22を用いたナトリウム輸送体の機能解析 Functional Characterization of Sodium Transporter using Na-22 (2019)
  • Author(s): 小林奈通子、菅原康平、堀江智明、田野井慶太朗
  • Organizer: 第56回アイソトープ・放射線研究発表会