フォトトロピンが制御する光シグナル伝達ネットワークの解明

• Project/Area Number: 21H02511
• 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: Yamaguchi University
• Principal Investigator: 武宮 淳史 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (80448406)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2023: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2022: ¥6,240,000 (Direct Cost: ¥4,800,000、Indirect Cost: ¥1,440,000); Fiscal Year 2021: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
• Keywords: 気孔開口 / 青色光 / フォトトロピン / シグナル伝達

Outline of Research at the Start

フォトトロピンは植物に特有の青色光受容体キナーゼであり、光合成機能の最適化に関わる多様な光応答を制御する。研究代表者らの近年の研究により、フォトトロピンは細胞内で多様な因子を同時にリン酸化し精巧な「シグナル伝達ネットワーク」を形成することで、光応答を統合的に制御する可能性が見えてきた。本研究では気孔開口をモデルケースとして、フォトトロピンが制御する光シグナル伝達ネットワークの分子機構の解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

フォトトロピンは光受容により活性化する受容体キナーゼであり、下流因子のリン酸化を通じて光情報を細胞内に伝達し、気孔開口を引き起こす。我々はこれまでにフォトトロピンのリン酸化基質を2つ（BLUS1・CBC1）同定し、これらが細胞膜H+-ATPaseの活性化とアニオンチャネルの不活性化を通じて気孔開口を促進することを明らかにしてきた。即ち、フォトトロピンは細胞内で多様な因子を同時にリン酸化し、シグナル伝達ネットワークを形成することで、気孔開口を統合的に制御する可能性が示唆される。このシグナル伝達ネットワークに関与する新奇重要因子を同定するために、昨年度はamiRNAを用いた変異体スクリーニングを進めてきた。amiRNAは遺伝子重複のあるファミリー遺伝子の発現を同時にノックダウンする手法であり、従来のEMSやT-DNAを用いた突然変異体のスクリーニングでは単離することが難しい重要因子を単離することが可能である。本年度は昨年度に引き続き、amiRNAを発現する変異体の1次スクリーニングを進めるとともに、2次スクリーニングとして次世代の植物体における再現性の確認を行い、気孔開口に異常を示すラインを多数単離した。一部についてはゲノムシーケンスによってその標的遺伝子候補を検出することに成功し、原因遺伝子同定と機能解析に着手した。現在、標的遺伝子候補にT-DNAが挿入された変異体を入手し、掛け合わせにより多重変異体の作成を進めている。また、T-DNA挿入変異体が入手できなかったものについては、ゲノム編集を利用した多重変異体の作製を試みている。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

amiRNA挿入変異体系統を対象としたスクリーニングから、青色光に応答した気孔開口に再現よく異常を示す変異体を複数単離し、その標的候補遺伝子を同定することができたため。

Strategy for Future Research Activity

T-DNA挿入変異体やゲノム編集を利用し、amiRNA変異体の原因遺伝子を同定し、当該因子が気孔開口を制御する分子メカニズムの解析を進める。

Research Products

• [Journal Article] Root PRR7 Improves the Accuracy of the Shoot Circadian Clock through Nutrient Transport (2023)
  • Author(s): Uemoto Kyohei、Mori Fumito、Yamauchi Shota、Kubota Akane、Takahashi Nozomu、Egashira Haruki、Kunimoto Yumi、Araki Takashi、Takemiya Atsushi、Ito Hiroshi、Endo Motomu
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 64 Issue: 3 Pages: 352-362
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad003
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] Reactive Carbonyl Species Inhibit Blue-Light-Dependent Activation of the Plasma Membrane H+-ATPase and Stomatal Opening (2022)
  • Author(s): Murakami Nanaka、Fuji Saashia、Yamauchi Shota、Hosotani Sakurako、Mano Jun’ichi、Takemiya Atsushi
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 63 Issue: 8 Pages: 1168-1176
  • DOI: 10.1093/pcp/pcac094
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A BLUS1 kinase signal and a decrease in intercellular CO2 concentration are necessary for stomatal opening in response to blue light (2021)
  • Author(s): Hosotani Sakurako、Yamauchi Shota、Kobayashi Haruki、Fuji Saashia、Koya Shigekazu、Shimazaki Ken-ichiro、Takemiya Atsushi
  • Journal Title: The Plant Cell Volume: - Pages: 1813-1827
  • DOI: 10.1093/plcell/koab067
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 青色光に応答した細胞膜H+-ATPaseの2つの部位のリン酸化は気孔開口に必須である (2023)
  • Author(s): 冨士彩紗，山内翔太，杉山直幸，西浜竜一，島崎研一郎，武宮淳史
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] WDRは孔辺細胞葉緑体のデンプン分解を介して気孔開口を促進する (2023)
  • Author(s): 山内翔太，杉山直幸，児玉豊，Luca Distefano， 野元美佳，多田安臣，Diana Santelia，島崎研一郎，武宮淳史
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナ孔辺細胞におけるSnRK2基質のリン酸化プロテオーム解析 (2023)
  • Author(s): 山下昂太，三枝瑞季，山内翔太，武宮淳史，梅澤泰史
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナにおけるグループC-Raf 型プロテインキナーゼのシグナル伝達経路の解析 (2023)
  • Author(s): 高瀬緋奈乃，神山佳明，山下昂太，冨士彩紗，杉本穂高，高橋宏二，武宮淳史，木下俊則，梅澤泰史
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 保存されたFAMA-WSBモジュールの転用によるアブラナ目生体防御系の進化 (2023)
  • Author(s): 白川一，小黒友輝，菅野茂夫，山岡尚平，相良真由，谷田舞，松本紘弥，熊石妃恵，吉田颯馬，渡邉むつみ，峠隆之， 鈴木孝征，市橋泰範，武宮淳史，山口 暢俊，河内孝之，伊藤寿朗
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 光に応答した気孔開口の分子機構 (2022)
  • Author(s): 武宮淳史
  • Organizer: 第14回中国地域育種談話会
  • Invited
• [Presentation] 光環境レジリエンスを支えるフォトトロピンシグナル伝達ネットワーク (2022)
  • Author(s): 武宮淳史
  • Organizer: 日本植物学会第86回大会
  • Invited
• [Presentation] 青色光に応答した気孔開口の分子機構に関する研究 (2022)
  • Author(s): 武宮淳史
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会
  • Invited
• [Presentation] 青色光に応答した気孔開口におけるBLUS1結合因子の機能解析 (2022)
  • Author(s): 田原京佳, 武宮淳史
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会
• [Presentation] Artificial microRNA によるフォトトロピン応答の新奇因子の探索 (2022)
  • Author(s): 松本理緒, 藤井量子, 三藤有紗, 武宮淳史
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会
• [Presentation] 青色光に応答した気孔開口におけるBLUS1結合因子の機能解析 (2021)
  • Author(s): 田原京佳, 武宮淳史
  • Organizer: 第77回中国四国植物学会大会