不規則な温度環境変化に対する時計システムのリジリエンス機構

• Project Area: Multi-layered regulatory system of plant resilience under fluctuating environment
• Project/Area Number: 21H05656
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 中道 範人 名古屋大学, 生命農学研究科, 教授 (90513440)
• 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: 植物 / 概日時計 / 温度補償性 / 温度環境 / 時計 / リジリエンス / 周期 / タンパク質 / ユビキチン修飾

Outline of Research at the Start

概日時計は約24時間周期長の振動子であり, 様々な生理現象の発現する時刻を統御することで, 植物が昼夜の環境変化に適応することに寄与している. 時計の重要な性質の１つに光環境変化や内的な代謝変化に対しても時計周期は抵抗性を示すものが知られている. この抵抗性は「天候・季節の変化や木漏れ日等によって局所的（不均一）かつ不規則に変化する光や温度への植物のレジリエンスの一環」として捉えられよう. 本研究は, 新たに見出している時計タンパク質の温度依存的な制御を中心に, 不規則に変化する温度環境の変化に対する植物時計のレジリエンスのしくみの理解を目指す.

Outline of Annual Research Achievements

時計の重要な性質の1つに「周期の温度補償性」とよばれる環境の温度変化への抵抗性が知られており、これは刻々と変化する環境下でも一定の時計進行スピードを保つ意義がある。一般に温度が高くなれば化学反応の速度は速くなることが、「アレニウスの式」によって示されている。時計の周期の温度補償性は、アレニウスの式から逸脱した反応であり、その謎は現在も多分野の科学者の興味を引きつけている学術的にも重要な課題だ。
私たちは温度補償性のメカニズムの解明を目指して、周期変異体セットの形質を解析したところ、prr5 toc1 二重変異株が極めて損なわれた温度補償性の形質を示すことを見出した。これは、PRR5と TOC1の機能が温度に依存することを暗示していたが、実際に低温でPRR5とTOC1タンパク質量が減少することを見出した。この減少に先立って、PRR5とTOC1はポリユビキチン修飾を受けていた。PRR5とTOC1タンパク質の分解を担う主要なE3リガーゼはZTLであるが、ztl変異体においても低温でのPRR5とTOC1の分解は滞っていなかった。またztl変異体の温度補償性は、野生型のものと同等であったため、ZTLは温度補償性制御に関わらないと考えられる。低温依存的なPRR5とTOC1の分解制御機構を解明するために、低温依存的な相互作用因子の探索を質量分析で行なったところ、新たなE3リガーゼが見出された。このE3リガーゼを欠損した株では、低温依存的なPRR5とTOC1のユビキチン化および分解が滞っていた。
以上、温度補償性に関わる新たな分子メカニズム「低温依存的な時計のブレーキ因子の分解」を明らかにすることができた。

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] University of Southern California(米国)
• [Journal Article] Chemical biology to dissect molecular mechanisms underlying plant circadian clocks (2022)
  • Author(s): Nakamichi Norihito、Yamaguchi Junichiro、Sato Ayato、Fujimoto Kazuhiro J.、Ota Eisuke
  • Journal Title: New Phytologist Volume: 235 Issue: 4 Pages: 1336-1343
  • DOI: 10.1111/nph.18298
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Plant clock modifications for adapting flowering time to local environments (2022)
  • Author(s): Maeda Akari E、Nakamichi Norihito
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: in press Issue: 2 Pages: 952-967
  • DOI: 10.1093/plphys/kiac107
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structure?Function Study of a Novel Inhibitor of Cyclin-Dependent Kinase C in Arabidopsis (2022)
  • Author(s): Saito Ami N、Maeda Akari E、Takahara Tomoaki T、Matsuo Hiromi、Nishina Michiya、Ono Azusa、Shiratake Katsuhiro、Notaguchi Michitaka、Yanai Takeshi、Kinoshita Toshinori、Ota Eisuke、Fujimoto Kazuhiro J、Yamaguchi Junichiro、Nakamichi Norihito
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 63 Issue: 11 Pages: 1720-1728
  • DOI: 10.1093/pcp/pcac127
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Epidermal CCA1 and PMR5 contribute to nonhost resistance in Arabidopsis (2022)
  • Author(s): 1.Nami Maeda, Takaya Noguchi, Norihito Nakamichi, Takamasa Suzuki and Atsushi Ishikawa
  • Journal Title: Biosci. Biotechnol. Biochem. Volume: 86 Issue: 12 Pages: 1623-1630
  • DOI: 10.1093/bbb/zbac160
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Phosphorylation of RNA Polymerase II by CDKC;2 Maintains the Arabidopsis Circadian Clock Period (2022)
  • Author(s): Uehara Takahiro N、Nonoyama Takashi、Taki Kyomi、Kuwata Keiko、Sato Ayato、Fujimoto Kazuhiro J、Hirota Tsuyoshi、Matsuo Hiromi、Maeda Akari E、Ono Azusa、Takahara Tomoaki T、Tsutsui Hiroki、Suzuki Takamasa、Yanai Takeshi、Kay Steve A、Itami Kenichiro、Kinoshita Toshinori、Yamaguchi Junichiro、Nakamichi Norihito
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 63 Issue: 4 Pages: 450-462
  • DOI: 10.1093/pcp/pcac011
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] The molecular mechanism of temperature compensation in Arabidopsis (2023)
  • Author(s): Akari Maeda, Hiromi Matsuo, Yoshikatsu Matsubayashi, Toshinori Kinoshita, Norihito Nakamichi
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Synthetic small molecules modulating plant circadian clock (2022)
  • Author(s): Norihito Nakamichi
  • Organizer: Society for Research on Biological Rhythms 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] PRR5とTOC1はシロイヌナズナ概日時計の温度補償性に関わる (2022)
  • Author(s): 前田明里、松尾宏美、松林嘉克、木下俊則、中道範人
  • Organizer: 第29回日本時間生物学会学術大会
• [Presentation] 植物時計のE3リガーゼZTLの解析 (2022)
  • Author(s): 谷川陽奈子、松尾宏美、前田明里、中道範人
  • Organizer: 第29回日本時間生物学会学術大会
• [Presentation] Analysis of plant clock transcription factor PRR7 (2022)
  • Author(s): 山中佐和子、松尾宏美、中道範人
  • Organizer: 第29回日本時間生物学会学術大会
• [Presentation] 時計長周期化化合物と標的タンパクの結合モデル (2022)
  • Author(s): 前田明里、松尾宏美、藤本和宏、木下俊則、山口潤一郎、中道範人
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 植物概日時計の温度補償性に関わるタンパク質の量的制御メカニズムの解析 (2022)
  • Author(s): 前田明里、松尾宏美、木下俊則、中道範人
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Small-molecule modulators of the plant clock (2021)
  • Author(s): Norihito Nakamichi
  • Organizer: 5th Asia Forum on Chronobiology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] シロイヌナズナの概日時計における周期の温度補償性に関わるタンパク質の量的制御 (2021)
  • Author(s): 前田明里、松尾宏美、木下俊則、中道範人
  • Organizer: 第28回日本時間生物学会学術大会