Abnormal organelle recognition mechanism through interactions with ubiquitin-like autophagy proteins

• Project/Area Number: 20H03281
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 44030:Plant molecular biology and physiology-related
• Research Institution: Meiji University
• Principal Investigator: Yoshimoto Kohki 明治大学, 農学部, 専任教授 (40399316)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000); Fiscal Year 2022: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2021: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2020: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000)
• Keywords: オートファジー / オルガネラ / 分解 / 品質管理 / 液胞 / 植物

Outline of Research at the Start

植物は、土中から無機栄養素を吸収し、太陽光のエネルギーを最大限利用して化学エネルギーに変換することで無機物から有機物を獲得する。光合成機能に必要なオルガネラは光合成の過程で絶えずダメージを受けており、それらの品質維持・新陳代謝の破綻は植物を死に導く。申請者は最近、植物が光合成を行なう中でオートファジーを発動し、植物特異的オルガネラの品質管理を行うことで細胞内浄化を図り、恒常性を維持していることを見出している。
本研究では、オートファジーがどの様にして異常な緑葉ペルオキシソームを認識し、それを過不足なく分解するのか、その機構を分子レベルで明らかにすることを目的とする。

Outline of Final Research Achievements

Autophagy is the major system responsible for the vacuolar degradation of organelles and cytosolic macromolecules. I have so far discovered that plants activate autophagy during photosynthesis and control the quality of green leaf peroxisomes, contributing to the maintenance of cellular homeostasis. However, it was not clear how autophagy recognizes abnormal organelles and degrades them neither too much nor too little. The purpose of this research project is to elucidate when and how damaged organelles are recognized and degraded, and to clarify the mechanism at the molecular level by such as co-immunoprecipitation experiments. Based on the resultant results, I tried to elucidate the quality control mechanism of green leaf peroxisomes.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

一度大地に芽生えると動くことのできない植物が、過酷な環境に適応するために、細胞内分解系をどのように利用してオルガネラの品質を保っているのかを分子レベルで明らかにすることで、植物の巧みな生存戦略の一端を紐解くことができると考える。さらに、その分子機構を従属栄養生物のそれと比較することは進化を考えるうえでも大変重要で興味深い問題である。また、植物オートファジーの研究からペルオキシソームの品質管理の分子機構に迫る点は独創的であり、学術的意義がある。

Research Products

• [Int'l Joint Research] アルゼンチン国立農牧技術院(アルゼンチン)
• [Int'l Joint Research] アルゼンチン国立農牧技術院(アルゼンチン)
• [Int'l Joint Research] フランス国立農学研究所(フランス)
• [Journal Article] Pexophagy suppresses ROS-induced damage in leaf cells under high-intensity light (2022)
  • Author(s): Oikawa, K., Goto-Yamada, S., Hayashi, Y., Takahashi, D., Kimori, Y., Shibata, M., Yoshimoto, K., Takemiya, A., Kondo, M., Hikino, K., Kato, A., Shimoda, K., Ueda, H., Uemura, M., Numata, K., Ohsumi, Y., Hara-Nishimura, I., Mano, S., Yamada, K., and Nishimura, M.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 7 Issue: 1 Pages: 7493-7493
  • DOI: 10.1038/s41467-022-35138-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A proposed role for endomembrane trafficking processes in regulating tonoplast content and vacuole dynamics under ammonium stress conditions in Arabidopsis root cells. (2021)
  • Author(s): Robert, G., Yagyu, M., Lascano, R., Masclaux-Daubresse, C., and Yoshimoto, K.
  • Journal Title: Plant Signal. Behav. Volume: 16 Issue: 9 Pages: 1924977-1924977
  • DOI: 10.1080/15592324.2021.1924977
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Autophagy balances the zinc-iron seesaw caused by Zn-stress. (2021)
  • Author(s): Shinozaki, D., and Yoshimoto, K.
  • Journal Title: Trends Plant Sci. Volume: 26 Issue: 9 Pages: 822-884
  • DOI: 10.1016/j.tplants.2021.06.014
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ammonium stress increases microautophagic activity while impairing macroautophagic flux in Arabidopsis roots (2021)
  • Author(s): Robert, G., Yagyu, M., Koizumi, T., Naya, L., Masclaux-Daubresse, C., and Yoshimoto, K.
  • Journal Title: Plant J. Volume: 105 Issue: 4 Pages: 1083-1097
  • DOI: 10.1111/tpj.15091
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Importance of non-systemic leaf autophagy for suppression of zinc starvation induced-chlorosis (2020)
  • Author(s): Shinozaki, D., Notaguchi, M., and Yoshimoto, K.
  • Journal Title: Plant Signal. Behav. Volume: 15 Issue: 5 Pages: 1-4
  • DOI: 10.1080/15592324.2020.1746042
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Editorial: Organelle autophagy in plant development (2020)
  • Author(s): Izumi, M., Yoshimoto, K., and Batoko H.
  • Journal Title: Front. Plant Sci. Volume: 11 Pages: 1-2
  • DOI: 10.3389/fpls.2020.00502
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] RCB-mediated chlorophagy caused by oversupply of nitrogen suppresses phosphate-starvation stress in plants (2020)
  • Author(s): Yoshitake Yushi、Nakamura Sakuya、Shinozaki Daiki、Izumi Masanori、Yoshimoto Kohki、Ohta Hiroyuki、Shimojima Mie
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 185 Pages: 318-330
  • DOI: 10.1093/plphys/kiaa030
  • Peer Reviewed
• [Presentation] オートファジーと概日時計間の相互作用の解析 (2021)
  • Author(s): 齋藤由花、藤森梢、吉本光希
  • Organizer: 日本植物学会大会
• [Presentation] 植物におけるミクロオートファジー関連因子の探索 (2021)
  • Author(s): 柳生真子、吉本光希
  • Organizer: 日本植物学会大会
• [Presentation] 植物における液胞膜動態を介する自己分解機構 “ミクロ”オートファジー関連因子の探索 (2021)
  • Author(s): 柳生真子、吉本光希
  • Organizer: 日本分子生物学会
• [Presentation] リン酸リサイクルにおけるオートファジーの重要性 (2021)
  • Author(s): 吉竹悠宇志、吉本光希
  • Organizer: 日本植物生理学会年会
• [Presentation] アンモニアストレス下におけるマクロ・ミクロオートファジーの膜動態 (2020)
  • Author(s): 吉本光希
  • Organizer: 日本生化学会大会
  • Invited