窒素栄養欠乏に応答した植物ステージゲート制御機構の全容解明

• Project Area: Multi-layered regulatory system of plant resilience under fluctuating environment
• Project/Area Number: 21H05644
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 佐藤 長緒 北海道大学, 理学研究院, 准教授 (50609724)
• Project Period (FY): 2021-09-10 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2022: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2021: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
• Keywords: 環境応答 / リン酸化 / 窒素 / 花成 / 代謝

Outline of Research at the Start

窒素栄養は，植物の代謝における重要度が非常に高く，バイオマスや種子収量に大きな影響を与える。そのため植物は，窒素源の獲得状況に応じて，土壌からの取込みや細胞内代謝を柔軟に変化させながら自身の成長を最適化している。さらに，より継続的で厳しい栄養欠乏と判断した場合は，成長相の転換により個体レベルでの応答を誘導する。しかし，栄養欠乏度合いや期間に応じて，代謝適応から成長相転換へと応答段階を移行する分子機構については不明な点が多い。本研究では，これまで申請者らが同定した窒素応答性花成制御因子の機能に着目し，植物の窒素応答性ステージゲート制御機構の全容解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，植物が異なる時間スケールの栄養欠乏ストレスに対して誘導する応答について，その制御機構の解明を目指している。最近申請者らは，栄養素の中でも特に重要な窒素に着目し，窒素応答性花成制御を担う鍵因子として転写因子FBH4および上流キナーゼSnRK1を同定し，長年謎であった窒素欠乏による花成早期化の分子機構の一端を明らかにした。本研究では，こうした鍵因子の機能に着目し，植物が細胞内における短期的な栄養欠乏応答から長期的・個体レベルでの応答段階へと移行する際の分子スイッチ機構について解明を目指す。主に，下記3研究課題に関する詳細な解析を効率的に実施する。
研究課題 1）短期的および長期的な窒素欠乏に応じたFBH4機能変換機構の解析
研究課題 2）窒素応答性成長相転換を誘導する上流シグナル機構の解析
研究課題 3）成長相転換制御における光周期シグナルと窒素シグナル統合機構の解析
当該年度は，ChIP-seq解析に取組み，FBH4が制御する標的遺伝子についてグローバルな情報を得た。また，これまであまり分かっていなかった窒素欠乏におけるエピゲノムシグナルの変動についても新たな知見が得られた。また，これまでのIP-MS解析で得られた情報からFBH4機能とリン酸化修飾や相互作用因子について解析した。加えて，上流キナーゼSnRK1の活性変動について，窒素欠乏時の代謝物変動との関連を解析し，どういった代謝物がSnRK1活性制御に影響するかについてin vivoおよびin vitroでの解析が可能となった。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] KU Luven/ゲント大学(ベルギー)
• [Int'l Joint Research] スウェーデン農業大学(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] ゲント大学/VIB(ベルギー)
• [Journal Article] Histone chaperone NUCLEOSOME ASSEMBLY PROTEIN 1 proteins affect plant growth under nitrogen deficient conditions in <i>Arabidopsis thaliana</i> (2023)
  • Author(s): Jie Linnan、Sanagi Miho、Luo Yongming、Maeda Haruna、Fukao Yoichiro、Chiba Yukako、Yanagisawa Shuichi、Yamaguchi Junji、Takagi Junpei、Sato Takeo
  • Journal Title: Plant Biotechnology Volume: 40 Issue: 1 Pages: 93-98
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.22.1219a
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • Year and Date: 2023-03-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Plasmodesmata mediate cell-to-cell transport of brassinosteroid hormones (2023)
  • Author(s): Wang Yaowei、Perez-Sancho Jessica、Platre Matthieu Pierre、Callebaut Brenda、Smokvarska Marija、Ferrer Karoll、Luo Yongming、Nolan Trevor M.、Sato Takeo、Busch Wolfgang、Benfey Philip N.、Kvasnica Miroslav、Winne Johan M.、Bayer Emmanuelle M.、Vukasinovic Nemanja、Russinova Eugenia
  • Journal Title: Nature Chemical Biology Volume: 19 Issue: 11 Pages: 1331-1341
  • DOI: 10.1038/s41589-023-01346-x
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 3-Phenyllactic acid is converted to phenylacetic acid and induces auxin-responsive root growth in Arabidopsis plants (2022)
  • Author(s): Maki Yuko、Soejima Hiroshi、Sugiyama Tamizi、Watahiki Masaaki K.、Sato Takeo、Yamaguchi Junji
  • Journal Title: Plant Biotechnology Volume: 39 Issue: 2 Pages: 111-117
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.21.1216a
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • Year and Date: 2022-06-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Conjugates of 3-phenyllactic acid and tryptophan enhance root-promoting activity without adverse effects in <i>Vigna angularis</i> (2022)
  • Author(s): Maki Yuko、Soejima Hiroshi、Sugiyama Tamizi、Sato Takeo、Yamaguchi Junji、Watahiki Masaaki K.
  • Journal Title: Plant Biotechnology Volume: 39 Issue: 2 Pages: 173-177
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.21.1217a
  • NAID: 130008149895
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • Year and Date: 2022-06-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Deubiquitinating enzymes UBP12 and UBP13 stabilize the brassinosteroid receptor BRI1 (2022)
  • Author(s): Luo Yongming、Takagi Junpei、Claus Lucas Alves Neubus、Zhang Chao、Yasuda Shigetaka、Hasegawa Yoko、Yamaguchi Junji、Shan Libo、Russinova Eugenia、Sato Takeo
  • Journal Title: EMBO reports Volume: 23 Issue: 4
  • DOI: 10.15252/embr.202153354
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The TGN/EE SNARE protein SYP61 and the ubiquitin ligase ATL31 cooperatively regulate plant responses to carbon/nitrogen conditions in Arabidopsis (2022)
  • Author(s): Yoko Hasegawa, Thais Huarancca Reyes, Tomohiro Uemura, Anirban Baral, Akari Fujimaki, Yongming Luo, Yoshie Morita, Yasushi Saeki, Shugo Maekawa, Shigetaka Yasuda, Koki Mukuta, Yoichiro Fukao, Keiji Tanaka, Akihiko Nakano, Junpei Takagi, Rishikesh P Bhalerao, Junji Yamaguchi, Takeo Sato
  • Journal Title: THE PLANT CELL Volume: 34 Issue: 4 Pages: 1354-1374
  • DOI: 10.1093/plcell/koac014
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Deubiquitinating enzymes UBP12 and UBP13 regulate carbon/nitrogen-nutrient stress responses by interacting with the membrane-localized ubiquitin ligase ATL31 in Arabidopsis (2022)
  • Author(s): Luo Yongming、Yasuda Shigetaka、Takagi Junpei、Hasegawa Yoko、Chiba Yukako、Yamaguchi Junji、Sato Takeo
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 636 Pages: 55-61
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2022.10.089
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 栄養環境に応じた植物の成長相転換とソース-シンク機能制御 (2024)
  • Author(s): 佐藤長緒，眞木美帆，高木純平
  • Organizer: シンポジウム「植物個体内の局所から全身の環境応答機構」，第65回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Ubiquitin signals regulating plant responses to C/N-nutrient availability (2023)
  • Author(s): Takeo Sato
  • Organizer: Gordon Research Conference-Plant Proteolysis “Integrating Our Understanding of Proteolysis in Plant Biology”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Transcription factor FBH4 mediates the regulation of flowering time and metabolism under low nitrogen conditions in Arabidopsis (2023)
  • Author(s): Miho Sanagi, Akio Kubo, Van Quoc Giang, Kana Nakao, Soichi Inagaki, Junpei Takagi, Takeo Sato
  • Organizer: Nitrogen 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] シロイヌナズナにおける窒素欠乏時の代謝と花成制御に関与する転写因子の機能解析 (2022)
  • Author(s): 眞木 美帆、Van Quoc Giang、久保 晃生、佐藤 靖武，高木 純平，佐藤 長緒
  • Organizer: 第39回日本植物バイオテクノロジー学会（堺）大会
• [Presentation] 栄養シグナルによる植物の成長相転換制御機構 (2022)
  • Author(s): 佐藤長緒
  • Organizer: 植物の栄養研究会
  • Invited
• [Remarks] https://www.sci.hokudai.ac.jp/CSF2-web/
• [Remarks] 研究室HP
  • URL: https://www.sci.hokudai.ac.jp/CSF2-web/