New functions and physiological significance of specific chloroplasts present in epidermal tissue

• Project/Area Number: 21H02512
• 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: Kyushu University
• Principal Investigator: 祢宜 淳太郎 九州大学, 理学研究院, 准教授 (70529099)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2023: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2022: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2021: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000)
• Keywords: 葉緑体 / 孔辺細胞 / 表皮細胞 / 環境応答 / 表皮（敷石）細胞 / アントシアニン / 耐塩性 / 表皮組織 / 敷石細胞 / 気孔 / 脂質

Outline of Research at the Start

植物の表皮組織には、葉肉組織とは異なる葉緑体の存在が示唆されているが、その機能については不明な点が多い。本研究では、気孔葉緑体を環境情報処理の基幹として捉え、そこで外部環境の状況の把握と処理を担う鍵因子の発掘を試みる。また従来、表皮(敷石)細胞は葉緑体を欠くとされてきたが、表皮細胞にも葉緑体が存在することを見出した。表皮細胞が葉緑体を保持する生理学的意義や表皮葉緑体の独自の役割を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

シロイヌナズナやコナギ、ソラマメなど多岐にわたる植物種の表皮組織では、孔辺細胞だけでなく、それを取り囲む表皮（敷石）細胞にも葉緑体の存在が確認できる。しかし、なぜ表皮細胞に葉緑体が存在するのか、その意義については不明な点が多い。本研究では、表皮葉緑体を欠損したシロイヌナズナ変異体を用いて、植物のストレス応答にどのような影響が出るのか解析することで、その役割について考察した。孔辺細胞の葉緑体が欠損したシロイヌナズナ変異体gles1（Negi et al. PNAS 2018）は表皮細胞の葉緑体も欠損していることが分かった。gles1に様々なストレスにさらした場合の生理応答を解析した結果、塩ストレスにより表皮細胞特異的に誘導されるアントシアニンの蓄積が抑制され、塩ストレス耐性も低くなることを明らかにした。さらに、この表現型はgles1において孔辺細胞特異的にGLES1を発現させた相補系統では回復しないが、表皮組織全体でGLES1を発現させた相補系統では回復した。これらの結果は、塩ストレスによるアントシアニンの合成制御に表皮葉緑体が必要であることを示唆している。現在、表皮葉緑体が塩ストレス環境下でアントシアニン合成を制御するメカニズムとして、葉緑体を合成起点とするジャスモン酸がシグナルとして働く可能性について検証を進めている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究の目的の１つであった表皮葉緑体の新規機能に関する知見を得ることができた。加えて、表皮葉緑体がアントシアニン合成を介した耐塩性にどのように関与するのか、その分子メカニズムに関しても解析が進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

塩ストレスに応じて表皮組織でジャスモン酸シグナルが活性化することで、アントシアニン合成が促進される可能性について検証する。具体的には、ジャスモン酸応答性のプロモーター制御下でGFPを発現する形質転換植物を利用したレポーターアッセイや組織ごとのジャスモン酸定量解析によって、ジャスモン酸合成、及びそのシグナル伝達が表皮特異的に活性化していることを明らかにする。

Research Products

• [Journal Article] Two independent cis‐acting elements are required for the guard cell‐specific expression of SCAP1, which is essential for late stomatal development (2022)
  • Author(s): Moriwaki Kosuke、Yanagisawa Shuichi、Iba Koh、Negi Juntaro
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: - Issue: 2 Pages: 440-451
  • DOI: 10.1111/tpj.15679
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 植物組織間で異なる葉緑体脂質代謝バランス (2022)
  • Author(s): 小畑智暉、宋普錫、祢冝淳太郎
  • Journal Title: 化学と生物 Volume: 60 Pages: 630-632
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Endoplasmic Reticulum Pathway for Membrane Lipid Synthesis Has a Significant Contribution toward Shoot Removal-Induced Root Chloroplast Development in Arabidopsis (2021)
  • Author(s): Obata Tomoki、Kobayashi Koichi、Tadakuma Ryosuke、Akasaka Taiki、Iba Koh、Negi Juntaro
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: - Issue: 3 Pages: 494-501
  • DOI: 10.1093/pcp/pcab009
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cuticle permeability is an important parameter for the trade-off strategy between drought tolerance and CO2 uptake in land plants (2021)
  • Author(s): Monda Keina、Mabuchi Atsushi、Negi Juntaro、Iba Koh
  • Journal Title: Plant Signaling & Behavior Volume: 16 Issue: 6 Pages: 1908692-1908692
  • DOI: 10.1080/15592324.2021.1908692
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 気孔細胞に存在する葉緑体の成り立ちとその機能 (2021)
  • Author(s): 祢冝 淳太郎、小畑 智暉、宋 普錫
  • Journal Title: BSJ-Review Volume: 12 Issue: A Pages: 38-44
  • DOI: 10.24480/bsj-review.12a5.00198
  • ISSN: 2432-9819
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 気孔開口におけるホスファチジルエタノールアミン合成酵素の機能解析 (2023)
  • Author(s): 袮冝 淳太郎、小畑 智暉、西村さくら、宋 普錫、山柿 将、 深津 孝平、木下俊則、星野 奈摘、西田 生郎、射場 厚
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナ気孔葉緑体と葉肉葉緑体とのプロテオミクス比較解析 (2022)
  • Author(s): 成松 丈, 宋 普錫, 西村 さくら, 山柿 将, 射場 厚, 祢冝 淳太郎
  • Organizer: 三学会合同佐賀大会2022
• [Presentation] 孔辺細胞の特徴的な葉緑体の構築には葉緑体脂質DGDGが必須である (2022)
  • Author(s): 西村 さくら, 小畑 智暉, 多田隈 遼亮, 射場 厚, 袮冝 淳太郎
  • Organizer: 日本植物学会第86回大会
• [Presentation] プロテオーム解析によるシロイヌナズナ気孔葉緑体特異的タンパク質の探索 (2022)
  • Author(s): 宋 普錫, 山柿 将, 西村 さくら, 成松 丈, 馬渕 敦士, 射場 厚, 祢冝 淳太郎
  • Organizer: 日本植物学会第86回大会
• [Presentation] 表皮細胞における葉緑体機能の解明に向けた敷石細胞特異的プロモーターの探索 (2022)
  • Author(s): 小畑 智暉、髙橋 宏和、中園 幹生、射場 厚、袮冝 淳太郎
  • Organizer: 日本植物学会第86回大会
• [Presentation] 気孔開口における膜脂質合成酵素PECT1の機能解析 (2022)
  • Author(s): 袮冝 淳太郎、小畑 智暉、西村さくら、宋 普錫、山柿 将、 深津 孝平、木下俊則、星野 奈摘、西田 生郎、射場 厚
  • Organizer: 日本植物学会第87回大会
• [Presentation] シロイヌナズナの気孔無傷葉緑体単離法の確立と気孔葉緑体特異的タンパク質の探索 (2022)
  • Author(s): 宋 普錫, 山柿 将, 西村 さくら, 成松 丈, 射場 厚, 祢冝 淳太郎
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 根細胞において小胞体経路は主要な膜脂質合成経路であり葉緑体の発達誘導に欠かせない (2022)
  • Author(s): 小畑 智暉、小林 康一、多田隈 遼亮、赤坂 泰輝、射場 厚、袮冝 淳太郎
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] アブシシン酸非依存的にCO2誘導性の気孔閉鎖能が低下した新規変異体の単離 (2022)
  • Author(s): 中江 聡子, 秀野 智紀, 東馬場 徳, 馬渕 敦士, 祢冝 淳太郎, 射場 厚, 門田 慧奈
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] CO2高感受性を示すシロイヌナズナ野生系統の単離とその表現型解析 (2022)
  • Author(s): 秀野 智紀, 中江 聡子, 東馬場 徳, 馬渕 敦士, 祢冝 淳太郎, 射場 厚, 門田 慧奈
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 気孔機能化因子SCAP1の気孔特異的な発現に必要な2つの独立した新規シスエレメントの同定 (2021)
  • Author(s): 森脇 宏介, 柳澤 修一, 射場 厚, 祢冝 淳太郎
  • Organizer: 日本植物学会第85回大会
• [Presentation] シロイヌナズナの気孔葉緑体および気孔開閉応答には葉緑体脂質DGDGが重要である (2021)
  • Author(s): 西村 さくら, 小畑 智暉, 多田隈 遼亮, 射場 厚, 袮冝 淳太郎
  • Organizer: 日本植物学会第85回大会
• [Presentation] Identification of two independent cis-acting elements required for the guard cell-specific expression of SCAP1, which is essential for late stomatal development (2021)
  • Author(s): Kosuke Moriwaki, Shuichi Yanagisawa, Koh Iba, Juntaro Negi
  • Organizer: The 31st International Conference on Arabidopsis Research (ICAR2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The ER pathway for membrane lipid synthesis has an important role in shoot removal-induced root chloroplast development in Arabidopsis (2021)
  • Author(s): Tomoki Obata, Ryosuke Tadakuma, Taiki Akasaka, Koichi Kobayashi, Koh Iba, Juntaro Negi
  • Organizer: The 31st International Conference on Arabidopsis Research (ICAR2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Shoot-to-root long-distance signals found in an Arabidopsis thaliana ecotype improve growth under nitrogen deficient conditions (2021)
  • Author(s): Mabuchi A, Monda K, Notaguchi M, Tsutsui H, Sakuraba Y, Negi J, Abe M, Yanagisawa S, Iba K
  • Organizer: The 31st International Conference on Arabidopsis Research (ICAR2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Increased Cuticle Permeability Caused by a New Allele of ACETYL-COA CARBOXYLASE 1 Enhances CO2 Uptake Efficiency in Arabidopsis (2021)
  • Author(s): Monda K, Mabuchi A, Takahashi S, Negi J, Tohmori R, Terashima I, Yamori W, Iba K
  • Organizer: The 31st International Conference on Arabidopsis Research (ICAR2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 気孔成熟化プロセスの鍵転写因子SCAP1の気孔特異的な発現に必要な2つの新規シスエレメント (2021)
  • Author(s): 森脇 宏介，柳澤 修一，射場 厚，祢冝淳太郎
  • Organizer: 九州沖縄植物学会第70回大会
• [Presentation] 葉緑体脂質DGDGは気孔葉緑体形成及び気孔開閉応答に必須である (2021)
  • Author(s): 西村 さくら, 小畑 智暉, 多田隈 遼亮, 射場 厚, 袮冝 淳太郎
  • Organizer: 九州沖縄植物学会第70回大会
• [Presentation] シロイヌナスズナ野生系統がもつ極限低窒素環境適応力を高める移動性シグナル (2021)
  • Author(s): 馬渕 敦士, 門田 慧奈, 野田口 理孝, 筒井 大貴, 櫻庭 康仁, 祢冝 淳太郎, 阿部 光知, 柳澤 修一, 射場 厚
  • Organizer: 九州沖縄植物学会第70回大会
• [Presentation] ACETYL-COA CARBOXYLASE 1の新規変異によるクチクラ透過性の上昇はCO2取込み効率を向上させる (2021)
  • Author(s): 門田 慧奈, 馬渕 敦士, 高橋 將, 袮冝 淳太郎, 東森 崚馬, 寺島 一郎, 矢守 航, 射場 厚
  • Organizer: 九州沖縄植物学会第70回大会
• [Remarks]
  • URL: http://www.biology.kyushu-u.ac.jp/~plant/
• [Remarks]
  • URL: http://www.biology.kyushu-u.ac.jp/~plant/