Studies on cell-by-cell color variation of hydrangea

• Project/Area Number: 21K19216
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 43:Biology at molecular to cellular levels, and related fields
• Research Institution: Aichi Institute of Technology (2023); Nagoya University (2021-2022)
• Principal Investigator: 吉田 久美 愛知工業大学, 工学部, 教授 (90210690)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2022: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: アジサイ / アントシアニン / ANS / DFR / F35H / アジサイ青色錯体 / アルミニウム / キナ酸エステル / デルフィニジン3-グルコシド / Hydrangea macrophylla / delphinidin 3-O-glcoside / neochlorogenic acid / chlorogenic acid / aluminum ion / 花色変化 / 単一細胞 / アルミニウムイオン / 助色素

Outline of Research at the Start

アジサイの花色は、酸性土壌で青く、中性からアルカリ性土壌では赤くなる。青色発色にはアルミニウムイオンが必須であることもわかっている。しかし、なぜ色が容易に変わるのか、その本質は不明であった。
紫色のアジサイのガク片細胞は、単一な紫色ではなく、青、赤、紫色細胞がモザイク状に存在することがわかった。隣同士の細胞は、ゲノムも同じ、生育環境もほとんど同じはずであり、なぜ、性質（色）が異なるのかは全く不明である。本研究では、単一細胞を用いた化学分析および遺伝子発現解析法を確立し、細胞ごとの個性（色）がなぜ違うのか、ゲノム情報だけに依存しない多様性創発の要因を探る。

Outline of Annual Research Achievements

アジサイは、環境条件で容易にガク片の色が変異することが特徴である。しかし、実際には、青系品種と赤系品種が存在し、前者を赤系の栽培条件で栽培しても、赤色にはならず紫色、後者を青系の栽培条件で栽培してもやはり、青になならず、紫色どまりである。しかし、品種「ごきげんよう」は他の品種と異なり、１品種で、栽培条件を変えることにより、美しい青色と赤色に咲きわけさせることができる。この理由の
解明を目的に研究を実施した。
青色発色にもっとも関与するアルミニウム量を分析した結果、赤には全く含まれず、青には多く含まれる。青ガク片のステージを追ってもアルミニウム濃度はほとんど変わらず、むしろ減少していた。マグネシウム濃度は赤青とも、同程度であった。次に、アントシアニン及び助色素の組成を分析したところ、アントシアニンのDp3G量は、青色で1.28 mmol/g FW、赤色で0.36 mmol/g FWと青色で多かった。助色素は、5CQ、5pCQ、3CQの順に、青色で4.02、0.44、10.32 mmol/g FW、赤色で3.66、0.70、13.57 mmol/g FWとなり、5アシル化キナ酸は、青色で多い傾向にはあったが、アントシアニンに対する当量は赤色で高かった。
そこで次に、アントシアニン及び助色素の生合成、並びにアルミニウムの輸送に関連する遺伝子の発現量の比較を行い、発色に関与する要素の探索を行なった。
アジサイガク片組織を生育と着色の違いによりステージ1から4までに分類し、それぞれの組織からRNAを抽出した。そして、現在、アントシアニンの生合成系における構造遺伝子として知られているANS(Hma027739)、DFR(Hma018417)、 F35H(Hma015590)の発現パターンに近いものを探索した。現在、その解析を進めている。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

研究代表者の吉田が所属機関を移動し、研究室の引越し作業及び、2022年度に雇用していた研究補助員の雇用継続ができなかったため、若干の遅れが生じた

Strategy for Future Research Activity

2022年度より中部大学鈴木教授に研究協力いただくようになり、アジサイのステージ別の発現遺伝子の解析を進めることができた。今後は、これらの遺伝子の中で、ガク片の色の発色と関連するものや、発色に関わると推測される遺伝子との発現パターンが類似の遺伝子を探索して、研究目的を達成する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Free University of Lisbon(ポルトガル)
• [Int'l Joint Research] UC Davis/MARS/The Ohio State University(米国)
• [Int'l Joint Research] Institut Ruder Boskovic(クロアチア)
• [Int'l Joint Research] SISSA(イタリア)
• [Int'l Joint Research] Avignon University(フランス)
• [Int'l Joint Research] Free University of Lisboa(ポルトガル)
• [Journal Article] Differences in the content of purple pigments, catechinopyranocyanidins A and B, in various adzuki beans, <i>Vigna angularis</i> (2023)
  • Author(s): Yoshida Kumi、Takayama Yoko、Asano Tomoyo、Kazuma Kohei
  • Journal Title: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Volume: 87 Issue: 5 Pages: 525-531
  • DOI: 10.1093/bbb/zbad010
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Intermolecular Copigmentation Between Delphinidin 3-<i>O</i>-Glucoside and Chlorogenic Acid: Taking into Account the Existence of Neutral and Negatively Charged Forms of the Copigment (2022)
  • Author(s): Seco Andr?、Bas?lio Nuno、Br?s Nat?rcia F.、Yoshida Kumi、Kondo Tadao、Oyama Kin-ichi、Pina Fernando
  • Journal Title: Journal of Agricultural and Food Chemistry Volume: 70 Issue: 36 Pages: 11391-11400
  • DOI: 10.1021/acs.jafc.2c03879
• [Journal Article] Blue flower coloration of <i>Salvia macrophylla</i> by the metalloanthocyanin, protodelphin (2022)
  • Author(s): Yoshida Kumi、Teppabut Yada、Sugita Chieko、Oyama Kin-ichi
  • Journal Title: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Volume: 86 Issue: 10 Pages: 1349-1352
  • DOI: 10.1093/bbb/zbac135
• [Journal Article] Crystallization of a Membrane Protein from <i>Hydrangea macrophylla</i> Involving in Aluminum Tolerance (2021)
  • Author(s): 伊藤誉明、中林由香里、入江克雅、大嶋篤典、藤吉好則、吉田久美
  • Journal Title: SPring-8/SACLA Research Report Volume: 9 Issue: 6 Pages: 380-382
  • DOI: 10.18957/rr.9.6.380
  • NAID: 130008112299
  • ISSN: 2187-6886
  • Year and Date: 2021-10-29
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Discovery of a natural cyan blue: A unique food-sourced anthocyanin ccould replace synthetic brilliant blue. (2021)
  • Author(s): Denish, P. R., Fenger, J-A., Powers, R., Sigurdson, G. T., Grisanti, L., Guggenheim, K. G., Laporte, S., Li, J., Kondo, T., Magistrato, A., Moloney, M. P., Riley, M., Rusishvili, M., Ahmadiani, N., Baroni, S., Dangles, O., Giusti, M., Collins, T. M., Didzbalis, J., Yoshida, K., Siegel, J. B., Robbins, R. J.
  • Journal Title: Sci. Advances Volume: 7 Issue: 15
  • DOI: 10.1126/sciadv.abe7871
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Polyacylated anthocyanins in bluish-purple petals of Chinese bellflower, Platycodon grandiflorum. (2021)
  • Author(s): Kondo, T., Hagihara, S., Takaya, Y., Yoshida, K.
  • Journal Title: Int. J. Mol. Sci. Volume: 22 Issue: 8 Pages: 4044-4044
  • DOI: 10.3390/ijms22084044
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Protecting group-free method for synthesis of N-glycosyl carbamates and an assessment of the anomeric effect of nitrogen in the carbamate group (2021)
  • Author(s): Ichikawa Yoshiyasu、Kaneno Daisuke、Saeki Nobuyoshi、Minami Takahiro、Masuda Toshiya、Yoshida Kumi、Kondo Tadao、Ochi Rika
  • Journal Title: Carbohydrate Research Volume: － Pages: 108280-108280
  • DOI: 10.1016/j.carres.2021.108280
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] アジサイの花色の謎を解く-ようやく明らかになった青色色素の構造と色の変わるしくみ (2021)
  • Author(s): 吉田久美
  • Journal Title: 化学 Volume: 76 Pages: 23-28
  • NAID: 40022592207
• [Journal Article] フラボノイド系植物色素の化 ー学最近の話題を中心にー (2021)
  • Author(s): 吉田久美
  • Journal Title: 色材誌 Volume: 94 Pages: 263-269
  • NAID: 130008107248
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 金時豆の種皮にカテキノピラノシアニジンA, Bが含まれていた (2024)
  • Author(s): 吉田久美、浅野友世
  • Organizer: 日本農芸化学会2024年度大会
• [Presentation] さまざまな品種の赤アズキ種皮に含まれるカテキノピラノシアニジン類の構造と含有量 (2023)
  • Author(s): 吉田久美、吉峯瑞喜、萩原星児、浅野友世、高山陽子、数馬恒平、近藤忠雄、尾山公一、高谷芳明、西﨑雄三
  • Organizer: 第65回天然有機化合物討論会
• [Presentation] 赤アズキ種皮に含まれる微量紫色色素の単離と構造解析 (2023)
  • Author(s): 吉峯 瑞喜 1、萩原 星児 1、近藤 忠雄 1、尾山 公一 2、高谷 芳明 3、吉田 久美 1
  • Organizer: 日本農芸化学会2023年度大会
• [Presentation] ツルマメ種皮に含まれるアントシアニンの生合成前駆体の探索 (2023)
  • Author(s): 吉田 久美 1、仁瓶 栞里 1、吉野 奈津子 2、尾山 公一 2、近藤 忠雄 1
  • Organizer: 日本農芸化学会2023年度大会
• [Presentation] 栽培条件により青色と赤色が発現するアジサイ「ごきげんよう」の分析 (2023)
  • Author(s): 仁瓶 栞里 1、杉田 千恵子 1、吉野 奈津子 2、吉田 久美
  • Organizer: 日本農芸化学会2023年度大会
• [Presentation] 外部標準法定量NMR（EC-qNMR）によるアントシアニンの純度測定 (2022)
  • Author(s): 西﨑雄三1、建部千絵1、石附京子1、増本直子1、中島馨1、吉田久美2、杉本直樹1、佐藤恭子1
  • Organizer: 日本食品化学学会 第28回総会・学術大会
• [Presentation] 様々な品種のアズキ種皮に含まれる色素の分析 (2022)
  • Author(s): 吉田久美、高山陽子、浅野友世、萩原星児
  • Organizer: 日本農芸化学会2022年度大会
• [Presentation] ツルマメの登熟過程における種皮成分の変化の分析 (2022)
  • Author(s): 仁瓶栞里、杉田千恵子、吉野奈津子、近藤忠雄、吉田久美
  • Organizer: 日本農芸化学会2022年度大会
• [Presentation] 外部標準法定量NMR（EC-qNMR）によるアントシアニン市販試薬の純度測定 (2022)
  • Author(s): 西﨑雄三、建部千絵、吉田久美、杉本直樹、佐藤恭
  • Organizer: 日本農芸化学会2022年度大会
• [Presentation] A new biosynthetic intermediate of cyanidin 3-O-glucoside in black soybean seed coat (2021)
  • Author(s): Kumi Yoshida, Yada Teppabut, Reo Sawaguchi, Kin-ichi Oyama, Tadao Kondo
  • Organizer: XXXth International Conference on Polyphenols
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] アントシアニンを用いた食品着色料の可能性 (2021)
  • Author(s): 吉田久美
  • Organizer: ifia JAPAN2021 (第26回国際食品素材/添加物展・会議)／HFE JAPAN2021(第19回ヘルスフードエキスポ)
  • Invited
• [Presentation] アントシアニンを用いた青色着色料の可能性 (2021)
  • Author(s): 吉田久美
  • Organizer: 愛知県立明和高等学校SSH理科特別講座
  • Invited
• [Presentation] フラボノイド系色素の化学と生物学 (2021)
  • Author(s): 吉田久美
  • Organizer: 理化学研究所 環境資源科学研究センター－千葉大学植物分子科学研究センター植物科学ジョイントセミナー
  • Invited
• [Presentation] 黒ダイズ種皮におけるシアニジン 3-O -グルコシドの新規生合成経路 (2021)
  • Author(s): 澤口 玲央、古川 楓、和氣 駿之、テッパブット ヤダー、中根 悠輔、林 英美、尾山 公一、杉田 千恵子、近藤 忠雄、中山 亨、吉田 久美
  • Organizer: 第63回天然有機化合物討論会
• [Book] 植物の超階層生物学：ゲノミクス×フェノミクス×生態学でひもとく多様性 (2023)
  • Author(s): 吉田久美
  • Total Pages: 344
  • Publisher: 文一総合出版
• [Book] ポリフェノールの科学 (2023)
  • Author(s): 吉田久美、尾山公一、近藤忠雄
  • Total Pages: 224
  • Publisher: 朝倉書店
• [Remarks] Yoshida Laboratory
  • URL: http://www.info.human.nagoya-u.ac.jp/lab/yoshida/index.html