光環境レジリエンスを支えるフォトトロピンの情報統御とプロテオーム多様化機構

• Project Area: Multi-layered regulatory system of plant resilience under fluctuating environment
• Project/Area Number: 21H05665
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: Yamaguchi University
• Principal Investigator: 武宮 淳史 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (80448406)
• 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: 青色光 / 光合成 / フォトトロピン / 細胞膜H+-ATPase / 気孔開口 / 紫外線

Outline of Research at the Start

太陽から地上に降り注ぐ光は、一日のうちでゆらぎを伴い刻一刻と変化する。このような不均一・不規則な光環境に適応するため、植物は紫外線から可視光領域に至る多様な光質を感知する光受容体群を備えるとともに、光合成の活動変動をシグナルとして利用し、これらの情報を統合することで、光合成機能や成長を最適化する。本研究では、このような光環境情報の統御機構に焦点をあて、青色光受容体フォトトロピンを中心とした光受容体・光合成シグナリングのクロストーク機構を解明する。また、光受容体キナーゼであるフォトトロピンが光情報を化学情報へと変換し、プロテオームを多様化させる分子機構の解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、植物の不均一光環境への適応機構を明らかにすることを目的として、青色光受容体フォトトロピンと光合成との情報統御を介した気孔開口の分子機構の解明に取り組んでいる。光に応答した気孔開口には、光合成に依存した反応とシグナルとして作用する青色光特異的な反応が存在し、両者の間には相乗効果が存在する。青色光による気孔開口では、フォトトロピンは細胞膜H+-ATPaseのC末端から2番目のThr残基のリン酸化を引き起こす。このリン酸化に依存して14-3-3タンパク質が結合することで、C末端の自己阻害領域による抑制が解除され、H+-ATPaseは活性化すると考えられてきた。しかし、これを遺伝学的に証明した例はない。本研究では、孔辺細胞プロトプラストを用いたリン酸化プロテオーム解析から、H+-ATPaseのC末端から2番目のThr残基に加えて、その上流領域に存在するThr残基が青色光に応答してリン酸化されることを見出した。アミノ酸置換の手法を用いた機能解析から、この2箇所のThr残基のリン酸化はともに細胞膜H+-ATPaseの活性化と気孔開口に必須であることが分かった。さらに、上流領域のThr残基は青色光のみならず、光合成に依存してリン酸化されることを見出した。以上の結果から、細胞膜H+-ATPaseの活性は孔辺細胞光合成と青色光シグナルによる2カ所のThr残基のリン酸化によって統合的に制御されることが明らかとなった。これらのメカニズムは孔辺細胞が自身の光合成の活動変動と青色光のシグナルを統合し、不均一光環境下で気孔開口を厳密に制御する上で重要であると考えられる。

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

• [Journal Article] Root PRR7 Improves the Accuracy of the Shoot Circadian Clock through Nutrient Transport (2023)
  • Author(s): Uemoto Kyohei、Mori Fumito、Yamauchi Shota、Kubota Akane、Takahashi Nozomu、Egashira Haruki、Kunimoto Yumi、Araki Takashi、Takemiya Atsushi、Ito Hiroshi、Endo Motomu
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 64 Issue: 3 Pages: 352-362
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad003
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pexophagy suppresses ROS-induced damage in leaf cells under high-intensity light (2022)
  • Author(s): Oikawa, K., Goto-Yamada, S., Hayashi, Y., Takahashi, D., Kimori, Y., Shibata, M., Yoshimoto, K., Takemiya, A., Kondo, M., Hikino, K., Kato, A., Shimoda, K., Ueda, H., Uemura, M., Numata, K., Ohsumi, Y., Hara-Nishimura, I., Mano, S., Yamada, K., and Nishimura, M.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 7 Issue: 1 Pages: 7493-7493
  • DOI: 10.1038/s41467-022-35138-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Reactive Carbonyl Species Inhibit Blue-Light-Dependent Activation of the Plasma Membrane H+-ATPase and Stomatal Opening (2022)
  • Author(s): Murakami Nanaka、Fuji Saashia、Yamauchi Shota、Hosotani Sakurako、Mano Jun’ichi、Takemiya Atsushi
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 63 Issue: 8 Pages: 1168-1176
  • DOI: 10.1093/pcp/pcac094
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A BLUS1 kinase signal and a decrease in intercellular CO2 concentration are necessary for stomatal opening in response to blue light (2021)
  • Author(s): Hosotani Sakurako、Yamauchi Shota、Kobayashi Haruki、Fuji Saashia、Koya Shigekazu、Shimazaki Ken-ichiro、Takemiya Atsushi
  • Journal Title: The Plant Cell Volume: - Issue: 5 Pages: 1813-1827
  • DOI: 10.1093/plcell/koab067
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 青色光に応答した細胞膜 H+-ATPaseの2つの部位のリン酸化は気孔開口に必須である (2023)
  • Author(s): 冨士彩紗，山内翔太，杉山直幸，西浜竜一，島崎研一郎，武宮淳史
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] WDR は孔辺細胞葉緑体のデンプン分解を介して気孔開口を促進する (2023)
  • Author(s): 山内翔太，杉山直幸，児玉豊，Luca Distefano， 野元美佳，多田安臣，Diana Santelia，島崎研一郎，武宮淳史
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナ孔辺細胞におけるSnRK2基質のリン酸化プロテオーム解析 (2023)
  • Author(s): 山下昂太，三枝瑞季，山内翔太，武宮淳史，梅澤泰史
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 保存された FAMA-WSB モジュールの転 用によるアブラナ目生体防御系の進化 (2023)
  • Author(s): 白川一，小黒友輝，菅野茂夫，山岡尚平，相良真由，谷田舞，松本紘弥，熊石妃恵，吉田颯馬，渡邉むつみ，峠隆之， 鈴木孝征，市橋泰範，武宮淳史，山口 暢俊，河内孝之，伊藤寿朗
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナにおけるグループC-Raf 型プロテインキナーゼのシグナル伝達経路の解析 (2023)
  • Author(s): 高瀬緋奈乃，神山佳明，山下昂太，冨士彩紗，杉本穂高，高橋宏二，武宮淳史，木下俊則，梅澤泰史
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 光に応答した気孔開口の分子機構 (2022)
  • Author(s): 武宮淳史
  • Organizer: 第14回中国地域育種談話会
  • Invited
• [Presentation] 光環境レジリエンスを支えるフォトトロピンシグナル伝達ネットワーク (2022)
  • Author(s): 武宮淳史
  • Organizer: 日本植物学会第86回大会
  • Invited
• [Presentation] 青色光に応答した気孔開口におけるBLUS1結合因子の機能解析 (2022)
  • Author(s): 田原京佳, 武宮淳史
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会
• [Presentation] 青色光に応答した気孔開口の分子機構に関する研究 (2022)
  • Author(s): 武宮淳史
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会
• [Presentation] Artificial microRNA によるフォトトロピン応答の新奇因子の探索 (2022)
  • Author(s): 松本理緒, 藤井量子, 三藤有紗, 武宮淳史
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会
• [Presentation] 青色光に応答した気孔開口におけるBLUS1結合因子の機能解析 (2021)
  • Author(s): 田原京佳, 武宮淳史
  • Organizer: 第77回中国四国植物学会大会