Elucidation of the phototropin-mediated light signaling network

• 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: Takemiya Atsushi 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: Completed (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 / 光合成 / フォトトロピン / 細胞膜H+-ATPase / 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 Final Research Achievements

Stomatal pores surrounded by paired guard cells in the epidermis of terrestrial plants open in response to light, facilitating the uptake of carbon dioxide crucial for photosynthesis. The plasma membrane H+-ATPase acts as a primary transporter that expels H+ from guard cells, creating a driving force for stomatal opening. However, the mechanism of light activation of H+-ATPase is not yet fully understood. In this study, we found that two Thr residues within the C-terminal autoinhibitory domain of H+-ATPase are phosphorylated in response to blue light. These phosphorylations are essential for activating H+-ATPase and stomatal opening. Furthermore, we showed that the upstream Thr residue is also phosphorylated by photosynthesis in guard cells, further facilitating stomatal opening. This study provides mechanistic insights into H+-ATPase activation in guard cells.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、これまで未解明であった細胞膜H+-ATPaseの光活性化の仕組みを明らかにし、気孔開口の駆動力形成機構の理解に大きな前進をもたらした。H+-ATPaseは植物の生存に必須な一次輸送体であり、孔辺細胞以外の組織・細胞にも発現している。本研究で見出した仕組みを応用しH+-ATPaseの活性を人為的に制御することで、植物の成長や光合成を促進する基盤技術の開発に繋がることが期待される。

Research Products

• [Journal Article] Light-induced stomatal opening requires phosphorylation of the C-terminal autoinhibitory domain of plasma membrane H+-ATPase (2024)
  • Author(s): Fuji Saashia、Yamauchi Shota、Sugiyama Naoyuki、Kohchi Takayuki、Nishihama Ryuichi、Shimazaki Ken-ichiro、Takemiya Atsushi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 15 Issue: 1 Pages: 1195-1195
  • DOI: 10.1038/s41467-024-45236-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] オートファジーは孔辺細胞のROS恒常性を制御し気孔開口を可能にする (2023)
  • Author(s): 山内 翔太、武宮 淳史
  • Journal Title: アグリバイオ Volume: 7 Pages: 801-805
• [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 / Int'l Joint Research
• [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: - Issue: 5 Pages: 1813-1827
  • DOI: 10.1093/plcell/koab067
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 気孔孔辺細胞における光シグナル伝達ネットワーク (2024)
  • Author(s): 武宮淳史
  • Organizer: 第65回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 青色光に応答したデンプン分解を介した気孔開口の分子機構の解明 (2024)
  • Author(s): 生田大貴, 山内翔太, 武宮淳史
  • Organizer: 第65回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 青色光に応答した細胞膜H+-ATPaseの活性化が阻害された突然変異体の単離と機能解析 (2024)
  • Author(s): 冨士彩紗, 山内翔太, 武宮淳史
  • Organizer: 第65回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 青色光による気孔開口の駆動力を形成する細胞膜H+-ATPaseの新奇活性制御機構 (2023)
  • Author(s): 冨士彩紗, 山内翔太, 杉山直幸, 西浜竜一, 河内孝之, 島崎研一郎, 武宮淳史
  • Organizer: 第79回中国四国植物学会大会
• [Presentation] 青色光に応答した気孔開口における裸子植物のBLUS1様遺伝子の機能解析 (2023)
  • Author(s): 今岡もも, 武宮淳史
  • Organizer: 第79回中国四国植物学会大会
• [Presentation] Phosphorylation of WD-repeat protein WDR by phototropins is essential for starch degradation to promote stomatal opening (2023)
  • Author(s): Shota Yamauchi, Naoyuki Sugiyama, Yutaka Kodama, Luca Distefano, Haruki Fujii, Mika Nomoto, Yasuomi Tada, Kazuhiro Hotta, Diana Santelia, Ken-ichiro Shimazaki, Atsushi Takemiya
  • Organizer: The 33rd International Conference on Arabidopsis Research (ICAR2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Phosphorylation of two Thr residues in the C-terminal auto-inhibitory domain of plasma membrane H+-ATPase is crucial for light-induced stomatal opening (2023)
  • Author(s): Saashia Fuji, Shota Yamauchi, Naoyuki Sugiyama, Takayuki Kohchi, Ryuichi Nishihama, Ken-ichiro Shimazaki, Atsushi Takemiya
  • Organizer: The 33rd International Conference on Arabidopsis Research (ICAR2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Functional analysis of BLUS1-interacting proteins in blue light-dependent stomatal opening (2023)
  • Author(s): Kyoka Thahara, Atsushi Takemiya
  • Organizer: Taiwan-Japan Plant Biology 2023 (TJPB2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A novel activation mechanism of plasma membrane H+-ATPase via phosphorylation within its C-terminal auto-inhibitory domain to open stomata by light (2023)
  • Author(s): Saashia Fuji, Shota Yamauchi, Naoyuki Sugiyama, Kohchi Takayuki, Ryuichi Nishihama, Ken-ichiro Shimazaki, Atsushi Takemiya
  • Organizer: Taiwan-Japan Plant Biology 2023 (TJPB2023)
  • Int'l Joint Research
• [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
• [Remarks]
  • URL: https://www.yamaguchi-u.ac.jp/weekly/28916/index.html