アポプラスト障壁形成の環境応答機構と栄養循環における機能の理解

• Project/Area Number: 23K21161
• Project/Area Number (Other): 21H02087 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 38010:Plant nutrition and soil science-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 神谷 岳洋 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 准教授 (40579439)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山上 睦 公益財団法人環境科学技術研究所, 環境影響研究部, 副主任研究員 (60715499)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2025: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2024: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2023: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2022: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2021: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
• Keywords: アポプラスト障壁 / neck strip / カスパリー線 / アポプラスト / 維管束

Outline of Research at the Start

植物は根において栄養を選択的に吸収し、全身に張り巡らされている維管束を通して、各組織、器官へ栄養を分配し、利用、貯蔵を行っている。これら一連のプロセスを可能にしているのが、外界との隔壁として機能するアポプラスト障壁である。本研究では、アポプラスト障壁（カスパリー線、neck strip、スベリン層）の形成機構や生理学的な機能を明らかにすることを目的としている。特に、本研究において新たに見出した地上部の新規のアポプラスト障壁、neck strip、の形成の分子機構の解明とその機能について明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

本年度はOsSGN3とCsMYB36について解析を進めた。
OsSGN3については、CRISPRのホモ株が致死であることから、ヘテロ系統を維持し、実生段階でホモを選抜したのち、実験に用いた。破壊株を用いた実験により、１）破壊株は地上部の元素濃度に異常があること、２）外皮および内皮のアポプラスト障壁が壊れていること、３）内皮のカスパリー線の形態に異常があることを見出した。以上の結果より、OsSGN3はイネにおいて、内皮だけではなく外皮のアポプラスト障壁の形成に関与していることを明らかにした。
CsMYB36については、地上部、特に果実で発現してることから、果実に着目して解析を進めた。その結果、分泌トライコムのneck cellと呼ばれる細胞にリグニン様の構造があること、この構造はCsMYB36破壊株では観察されないこと、neck cellでは、カスパリー線形成の鍵となる遺伝子であるCsCASP1タンパク質が発現していること、また、その局在はneck cellの側面の細胞膜であること、リグニン様構造がアポプラスト障壁として機能することを見出した。以上の結果より、この構造をneck stripと命名した。CsMYB36破壊株ではブルームが形成されないことが報告されている。これらの結果より、neck stripがアポプラスト障壁として機能することにより、分泌トライコムでのケイ酸濃度が高くなり、シリカ重合が進むものと考えられる。なお、このneck stripが他の植物種にも存在することを明らかにし、植物に普遍的な構造であることを示した。
以上の結果に加え、前年度にデータが揃った低カリウムとカスパリー線形成に関しては論文を執筆し、投稿した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

neck stripという新たな細胞壁構造を見出し、新たな研究の展開があったため。

Strategy for Future Research Activity

地上部のアポプラスト障壁、特に、neck stripについて研究を展開していく。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 湖南農業大学(中国)
• [Int'l Joint Research] 湖南農業大学(中国)
• [Journal Article] Role of GSL8 in low calcium tolerance in <i>Arabidopsis thaliana</i> (2022)
  • Author(s): Shikanai Yusuke、Asada Mayu、Sato Takafumi、Enomoto Yusuke、Yamagami Mutsumi、Yamaguchi Katsushi、Shigenobu Shuji、Kamiya Takehiro、Fujiwara Toru
  • Journal Title: Plant Biotechnology Volume: 39 Issue: 3 Pages: 221-227
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.22.0421a
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • Year and Date: 2022-09-25
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Arabidopsis Glucan Synthase-Like1 (GSL1) Is Required for Tolerance to Low-Calcium Conditions and Exhibits a Function Comparable to GSL10 (2022)
  • Author(s): Shikanai, Y., Takahashi, S., Enomoto, Y., Yamagami, M., Yamaguchi, K., Shigenobu, S., Kamiya, T. and Fujiwara, T.
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 63(10) Issue: 10 Pages: 1474-1484
  • DOI: 10.1093/pcp/pcac106
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 1. Molecular mechanisms of Casparian strip and suberin lamella formation and their function in nutrient transport in roots (2021)
  • Author(s): 神谷 岳洋
  • Journal Title: Japanese Journal of Soil Science and Plant Nutrition Volume: 92 Issue: 2 Pages: 70-75
  • DOI: 10.20710/dojo.92.2_70
  • NAID: 130008024166
  • ISSN: 0029-0610, 2424-0583
  • Year and Date: 2021-04-05
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Neck Strip, a Lignin-Based Novel Structure, Acts as an Apoplastic Barrier in Cucumber Glandular Trichome (2023)
  • Author(s): Hao Ning, Tao Wu, Toru Fujiwara, Takehiro Kamiya
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] A novel lignin-based structure of the glandular trichome (2022)
  • Author(s): Hao Ning, Tao Wu, Toru Fujiwara, Takehiro Kamiya
  • Organizer: 細胞壁研究者ネットワーク第16回定例研究会
• [Presentation] Regulatory mechanisms of bloom formation on cucumber fruit peel (2021)
  • Author(s): Hao Ning、藤原 徹、神谷 岳洋
  • Organizer: 細胞壁ネットワーク定例会