種内ナチュラルバリエーションを用いた植物プロモーターの進化的側面の解明

• Project/Area Number: 21K06212
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 44030:Plant molecular biology and physiology-related
• Research Institution: Gifu University
• Principal Investigator: 山本 義治 岐阜大学, 応用生物科学部, 教授 (50301784)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: プロモーター / Orphan Promoter / TSS-seq / シロイヌナズナ / ナチュラルバリエーション / 局所適応 / ゲノム多型 / プロモーター比較 / 部分転写ネットワーク / プロモーター進化 / 環境適応 / 比較ゲノム / 植物

Outline of Research at the Start

本研究においてはシロイヌナズナの種内８０系統（アクセション）の公開されているゲノムワイドな配列多型情報、申請者らが取得したそれらの環境ストレス耐性データ（低温&強光）、そして本研究において新たに取得する環境ストレス耐性の異なる４系統についての転写開始点データを組合せ、植物プロモーターの進化にメスを入れる。プロモーターのタイプごとの進化傾向（安定性・ゆらぎ）について定量的な知見を得るとともに、プロモーター進化が誘導する環境適応能獲得の実例発見を試みる。本研究のために、配列多型とプロモーター機能（発現制御/発現量/TSS位置）との相関解析法を新規開発する。

Outline of Annual Research Achievements

前年度末に４系統のTSS-seqデータを無事調製できた。今年度はシークエンスデータを用いて１）遺伝子発現の比較解析、および２）転写開始点（TSSクラスターピーク位置）の進化的安定性についての解析を行なった。
１）発現解析の結果からは、用いた４系統のうち南域に生息するAltenb2が強光＋低温ストレス応答を弱めていること（特にDREB1レギュロン）、光合成関連遺伝子群の発現を強めていること、を明らかにした。Altenb2は強光＋低温ストレスによる光阻害をより強く受けることから、この系統はストレス耐性を弱め成長促進を強める方向へ遺伝子発現パターンを変化させることで、ストレスが弱い南域での生息にうまく適応したことが示唆された。また、Vash1系統は過酸化水素応答を弱めていること、ただしストレス下での過酸化水素の蓄積量は他の系統と変わらないことから、この系統は過酸化水素応答を担う転写制御ネットワークを部分的に弱めていることが明らかになった。こちら弱体化についてもAltenb2同様に生息地を南下させる際にストレス応答を弱めたのではないか、と考えられた。
２）申請者はこれまでの研究で、植物のプロモーター（＝転写開始点クラスター）にはカノニカルなGenic Topタイプ以外にもGenic Companion、Intragenic、Antisense、Orphanという非カノニカルなタイプが多数存在していることを明らかにしている（2009、2017）。今年度の解析では、これらの各タイプの転写開始点の位置の安定性並びに転写開始点近傍配列の安定性を評価することができた。詳細は省略するが、遺伝子間に散在し、生理学的な機能は持たないと私が考えているOrphanタイプのプロモーターはどのような面から見ても進化的に非常に不安定であるという私の仮説を支持する結果を得ることができた。

Research Products

• [Journal Article] Cytosolic heme catabolism by alternative localization of heme oxygenase 1 in plant cells. (2024)
  • Author(s): Chen Y, Nishimura K, Tokizawa M, Yamamoto YY, Oka Y, Matsushita T, Hanada K, Shirai K, Mano S, Shimizu T, Masuda T
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: in press
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Combinatorial effects of cis-regulatory elements and functions in plants. (2024)
  • Author(s): Ezeh OS, Yamamoto YY
  • Journal Title: Reviews Agri Sci Volume: in press
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The transcription factors, STOP1 and TCP20, are required for root system architecture alterations in response to nitrate deficiency (2023)
  • Author(s): Tokizawa Mutsutomo、Enomoto Takuo、Chandnani Rahul、Mora-Mac?as Javier、Burbridge Connor、Armenta-Medina Alma、Kobayashi Yuriko、Yamamoto Yoshiharu Y.、Koyama Hiroyuki、Kochian Leon V.
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 120 Issue: 35
  • DOI: 10.1073/pnas.2300446120
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] STOP1‐regulated <i>SMALL AUXIN UP RNA55</i> (<i>SAUR55</i>) is involved in proton/malate co‐secretion for Al tolerance in Arabidopsis (2023)
  • Author(s): Agrahari Raj Kishan、Kobayashi Yuriko、Enomoto Takuo、Miyachi Tasuku、Sakuma Marie、Fujita Miki、Ogata Takuya、Fujita Yasunari、Iuchi Satoshi、Kobayashi Masatomo、Yamamoto Yoshiharu Y.、Koyama Hiroyuki
  • Journal Title: Plant Direct Volume: 8 Issue: 1
  • DOI: 10.1002/pld3.557
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Sequence-based evaluation of promoter context for prediction of transcriptional start sites in Arabidopsis and rice. (2022)
  • Author(s): Hiratsuka T, Makita Y, Yamamoto YY
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 6976-6976
  • DOI: 10.1038/s41598-022-11169-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mechanosensory trichome cells evoke a mechanical stimuli-induced immune response in Arabidopsis thaliana (2022)
  • Author(s): Matsumura Mamoru、Nomoto Mika、Itaya Tomotaka、Aratani Yuri、Iwamoto Mizuki、Matsuura Takakazu、Hayashi Yuki、Mori Tsuyoshi、Skelly Michael J.、Yamamoto Yoshiharu Y.、Kinoshita Toshinori、Mori Izumi C.、Suzuki Takamasa、Betsuyaku Shigeyuki、Spoel Steven H.、Toyota Masatsugu、Tada Yasuomi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 1216-1216
  • DOI: 10.1038/s41467-022-28813-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High affinity promoter binding of STOP1 is essential for early expression of novel aluminum-induced resistance genes <i>GDH1</i> and <i>GDH2</i> in Arabidopsis (2021)
  • Author(s): Tokizawa Mutsutomo、Enomoto Takuo、Ito Hiroki、Wu Liujie、Kobayashi Yuriko、Mora-Maci?as Javier、Armenta-Medina Dagoberto、Iuchi Satoshi、Kobayashi Masatomo、Nomoto Mika、Tada Yasuomi、Fujita Miki、Shinozaki Kazuo、Yamamoto Yoshiharu Y、Kochian Leon V、Koyama Hiroyuki
  • Journal Title: Journal of Experimental Botany Volume: 72 Issue: 7 Pages: 2769-2789
  • DOI: 10.1093/jxb/erab031
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Primary Metabolism and Transcriptional Regulation in Higher Plants (2021)
  • Author(s): Hayami Natsuki、Y. Yamamoto Yoshiharu
  • Journal Title: Reviews in Agricultural Science Volume: 9 Issue: 0 Pages: 117-127
  • DOI: 10.7831/ras.9.0_117
  • NAID: 130008052731
  • ISSN: 2187-090X
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Efficient Agrobacterium tumefaciens-mediated stable genetic transformation of green microalgae, Chlorella sorokiniana (2021)
  • Author(s): Sharma Prabin Kumar、Goud Vaibhab V.、Yamamoto Y.、Sahoo Lingaraj
  • Journal Title: 3 Biotech Volume: 11 Issue: 4 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1007/s13205-021-02750-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cryptic promoter activation occurs by at least two different mechanisms in the Arabidopsis genome (2021)
  • Author(s): Kudo Hisayuki、Matsuo Mitsuhiro、Satoh Soichirou、Hata Takayuki、Hachisu Rei、Nakamura Masayuki、Yamamoto Yoshiharu Y.、Kimura Hiroshi、Matsui Minami、Obokata Junichi
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: 108 Issue: 1 Pages: 29-39
  • DOI: 10.1111/tpj.15420
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Expression GWAS of PGIP1 Identifies STOP1-Dependent and STOP1-Independent Regulation of PGIP1 in Aluminum Stress Signaling in Arabidopsis (2021)
  • Author(s): Agrahari Raj Kishan、Enomoto Takuo、Ito Hiroki、Nakano Yuki、Yanase Emiko、Watanabe Toshihiro、Sadhukhan Ayan、Iuchi Satoshi、Kobayashi Masatomo、Panda Sanjib Kumar、Yamamoto Yoshiharu Y.、Koyama Hiroyuki、Kobayashi Yuriko
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 12 Pages: 774687-774687
  • DOI: 10.3389/fpls.2021.774687
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Suppression of MYC transcription activators by the immune cofactor NPR1 fine-tunes plant immune responses (2021)
  • Author(s): Nomoto Mika、Skelly Michael J.、Itaya Tomotaka、Mori Tsuyoshi、Suzuki Takamasa、Matsushita Tomonao、Tokizawa Mutsutomo、Kuwata Keiko、Mori Hitoshi、Yamamoto Yoshiharu Y.、Higashiyama Tetsuya、Tsukagoshi Hironaka、Spoel Steven H.、Tada Yasuomi
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 37 Issue: 11 Pages: 110125-110125
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2021.110125
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] シロイヌナズナ野生型４系統のTSS比較解析 (2024)
  • Author(s): 菅川和貴、Ezeh Okechukwu Samson、山本義治
  • Organizer: 第６５回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 強光・低温の複合ストレス応答を担うシロイヌナズナプロモーターの制御機構の解析 (2024)
  • Author(s): 三田井香菜、Ezeh Okechukwu Samson、速水菜月、小玉和靖、井内聖、山本義治
  • Organizer: 第６５回日本植物生理学会年会
• [Presentation] A unit of two elements activated by the cold, high light, and UV-B stress signals (2023)
  • Author(s): Ezeh Okechukwu Samson, Kana Mitai, Natsuki Hayami, Wase Kodama, Satoshi Iuchi, Yoshiharu Y. Yamamoto,
  • Organizer: Taiwan-Japan Plant Biology2023 (TJPB2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Synergetic activation of Arabidopsis ELIP2 expression by high light and cold stress (2023)
  • Author(s): Yoshiharu Y. Yamamoto
  • Organizer: The 15th International Colloquium on Endocytobiology and Symbiosis (ICE2023)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Light- and tissue-dependent regulation of transcriptional start sites of HO1 in Arabidopsis thaliana (2021)
  • Author(s): Yingxi Chen, Nishimura K, Yamamoto YY, Masuida S
  • Organizer: 日本植物学会第８５回大会
• [Book] “Plant in challenging environments” eds Panda SK, Khan MA, (2024)
  • Author(s): Debbarma A, Chaturvedi R, Maruyama K, Yamamoto YY
  • Publisher: Springer Nature Switzerland AG
• [Remarks] 岐阜大学山本研究室HP
  • URL: https://www1.gifu-u.ac.jp/~yyy/yyy/shan_ben_yan_jiu_shi.html
• [Remarks] Plant Promoter Database
  • URL: https://ppdb.agr.gifu-u.ac.jp/ppdb/cgi-bin/index.cgi
• [Remarks] 山本研HP
  • URL: https://www1.gifu-u.ac.jp/~yyy/yyy/Top.html
• [Remarks] 山本研究室HP
  • URL: https://www1.gifu-u.ac.jp/