多様な植物アルカロイド代謝機構の分化における異形細胞の機能解明

• Project/Area Number: 20J00973
• 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: Chiba University
• Principal Investigator: 山本 浩太郎 千葉大学, 薬学研究院, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 植物二次代謝 / 異形細胞 / アルカロイド / 一細胞オミクス / 一細胞メタボロミクス / 一細胞トランスクリプトミクス

Outline of Research at the Start

植物の組織内には周囲の細胞とは形、大きさ、構造、内容物などが異なる細胞が存在する場合があり、これらの細胞を異形細胞と呼んでいる。これまで代謝に関与するのではないかと考えられてきた異形細胞であるが、その役割・発生過程・類似性・二次代謝との関連性などは未だによくわかっていない。本研究では多様な植物に存在する異形細胞の形態分化と代謝分化の関連性を明らかにし、基礎研究で理解した二次代謝を利用して、有用代謝物質の生産に関わる応用研究にも試みる。

Outline of Annual Research Achievements

植物の組織内には周囲の細胞とは形、大きさ、構造、内容物などが異なる細胞が存在する場合があり、これらの細胞を異形細胞と呼んでいる。これまで代謝に関与するのではないかと考えられてきた異形細胞であるが、その役割・発生過程・類似性・二次代謝との関連性などは未だによくわかっていない。本研究は多様な植物に存在する異形細胞の形態分化と代謝分化の関連性を明らかにすることを目的として行った。主要な研究植物として、Vinblastineなどの抗がん剤となるTerpenoid indole alkaloid（TIA）をはじめ、多様な二次代謝産物を生産することで著名な薬用植物であるニチニチソウを用いた。このニチニチソウは異形細胞に複数のTIAを蓄積しているので、TIA代謝と異形細胞の関連性を調べるのに適した実験材料である。ニチニチソウの知見を元に、TIAを生合成する様々な植物の異形細胞における代謝機構についても調べた。
ニチニチソウの細胞や組織レベルでのオミクスデータを駆使して、ニチニチソウの異形細胞におけるTIA代謝に関与するSerpentine synthaseやその他複数の酵素を同定してきた。ウイルス誘導性遺伝子サイレンシング（VIGS）法を用いたスクリーニングによりSerpentine synthaseを見つけ、その機能や細胞内局在を調べた成果は、Plant Physiology誌に掲載された。
その他の植物に関しては、キョウチクトウ科のツルニチニチソウやアカネ科の植物などの組織や細胞の観察をした後、組織レベルでのオミクスデータを取得してきた。ニチニチソウの近縁種であるツルニチニチソウについては、UVで励起して蛍光を放つTIA物質の情報を元に異形細胞を分類し、一細胞レベルでメタボロームデータの取得を進めてきた。
現在、本研究で得られた成果を論文として投稿する準備をしている。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Max Planck Institute(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Max Planck Institute(ドイツ)
• [Journal Article] Differential regulation of fluorescent alkaloid metabolism between idioblast and lacticifer cells during leaf development in Catharanthus roseus seedlings (2022)
  • Author(s): Uzaki Mai、Yamamoto Kotaro、Murakami Akio、Fuji Yushiro、Ohnishi Miwa、Ishizaki Kimitsune、Fukaki Hidehiro、Hirai Masami Yokota、Mimura Tetsuro
  • Journal Title: Journal of Plant Research Volume: - Issue: 3 Pages: 473-483
  • DOI: 10.1007/s10265-022-01380-1
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Improved virus-induced gene silencing allows discovery of a serpentine synthase gene in <i>Catharanthus roseus</i> (2021)
  • Author(s): Yamamoto Kotaro、Grzech Dagny、Koudounas Konstantinos、Stander Emily Amor、Caputi Lorenzo、Mimura Tetsuro、Courdavault Vincent、O’Connor Sarah E.
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 187 Issue: 2 Pages: 846-857
  • DOI: 10.1093/plphys/kiab285
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Early and Late Steps of Quinine Biosynthesis (2021)
  • Author(s): Francesco Trenti, Kotaro Yamamoto, Benke Hong, Christian Paetz, Yoko Nakamura, Sarah E. O’Connor
  • Journal Title: Organic Letters Volume: 2021, 23, 5 Issue: 5 Pages: 1793-1797
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.1c00206
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 植物細胞におけるアルカロイドの単一細胞質量分析 (2020)
  • Author(s): 山本浩太郎, 三村徹郎
  • Journal Title: 植物の生長調節（Regulation of plant growth & development） Volume: 55(2) Pages: 100-104
  • NAID: 130008131350
• [Presentation] １細胞オミクスが明らかにした細胞横断型アルカロイド生合成機構 (2022)
  • Author(s): 山本浩太郎, 高橋勝利, 水野初, 山崎真巳, 三村徹郎
  • Organizer: 日本農芸化学会2022年度京都大会
  • Invited
• [Presentation] 薬用植物ニチニチソウの種子発芽過程におけるアルカロイド代謝開始機構の解析 (2022)
  • Author(s): 鵜崎真妃, 山本浩太郎, Amit Rai, 村上明男, 大西美輪, 七條千津子, 石崎公庸, 深城英弘, Sarah O'Connor, 三村徹郎, 平井優美
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 薬用植物ニチニチソウの発芽に伴うアルカロイド代謝変動の解析 (2021)
  • Author(s): 鵜崎真妃, 山本浩太郎, 村上明男, 大西美輪, 七條千津子, 石崎公庸, 深城英弘, 三村徹郎, 平井優美
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] ニチニチソウにおけるアルカロイド代謝機構の解析 (2020)
  • Author(s): 山本 浩太郎, Rodriguez Lopez Carlos Eduardo, Grzech Dagny, 鵜崎 真妃, Caputi Lorenzo, 三村 徹郎, 山崎 真巳, O'Connor Sarah E.
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Presentation] 薬用植物ニチニチソウをモデルとしたアルカロイド代謝分化過程の解析 (2020)
  • Author(s): 鵜崎真妃, 山本浩太郎, 村上明男, 大西美輪, 七條千津子, 高橋勝利, 石崎公庸, 深城英弘, 三村徹郎, 平井優美
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会