植物の栄養飢餓とオートファジー

• Project Area: Integrated analysis of strategies for plant survival and growth in response to global environmental changes
• Project/Area Number: 23119503
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 石田 宏幸 東北大学, (連合)農学研究科(研究院), 准教授 (60312625)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2012: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2011: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
• Keywords: 栄養飢餓 / 老化 / 植物 / オートファジー / 葉緑体

Outline of Annual Research Achievements

本研究では真核生物に普遍的に備わる細胞自己分解システム「オートファジー」が、植物の栄養飢餓応答に果たす役割についてモデル植物であるシロイヌナズナを中心材料に分子レベルで明らかにすることを目的とした。本年度は特に以下の２項目について成果が得られた。
１）光合成制限環境下におけるエネルギー供給源としてのRCB/オートファジーの役割
葉や個体レベルでの栄養条件を様々な外的、内的条件で変化させ、それらが小胞RCB（Rubisco-containing body）の形成に及ぼす影響について調べた。その結果、RCBの形成は葉の炭水化物含量と特に密接に結びついていることが示された。そこで、炭素制限環境におけるRCB/オートファジーの役割について解析するため、オートファジーとスターチ代謝関連遺伝子の二重変異体の解析を進めた。スターチレス/オートファジー二重変異体では、短日条件において顕著な生育遅延が起き、生殖成長に至る前にほとんどの葉が枯死するというシビアな表現型が見られた。二重変異体では分岐鎖アミノ酸や芳香族アミノ酸含量が低下しており、これらアミノ酸の分解代謝に関わるIVDHやETF/ETFQO複合体のETFQOの遺伝子発現はスターチレス変異体や二重変異体で顕著に上昇していた。以上のことから、オートファジーが、炭素制限時にこれらアミノ酸分解代謝へのアミノ酸供給系として機能していることが示唆された。（Izumi et al., 2013, Plant Physiol.として発表 ）。
２）葉の老化時のRubisco分解におけるRCB経路の貢献度の評価
RBCSと蛍光タンパク質（sGFP, mRFP）の融合タンパク質を発現する形質転換体を用いてRCB経路を定量評価する系を確立した。（Ono et al., 2013, Plant Cell Environ.として発表）。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Evidence for contribution of autophagy to Rubisco degradation during leaf senescence in Arabidopsis thaliana. (2013)
  • Author(s): Ono Y, Wada S, Izumi M, Makino A, Ishida H
  • Journal Title: Plant, Cell and Environment Volume: (In press) Issue: 6 Pages: 1147-1159
  • DOI: 10.1111/pce.12049
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Autophagy contributes to nighttime energy availability for growth in Arabidopsis. (2013)
  • Author(s): Izumi M, Hidema J, Makino A, Ishida H
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 161 Issue: 4 Pages: 1682-1693
  • DOI: 10.1104/pp.113.215632
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] RBCS1A and RBCS3B, two major members within the Arabidopsis RBCS multigene family, function toyield sufficient Rubisco content for leaf photosynthetic capacity (2012)
  • Author(s): Izumi M, Tsunoda H, Suzuki Y, Makino A, Ishida H
  • Journal Title: Journal of Experimental Botany Volume: 63 Issue: 5 Pages: 2159-2170
  • DOI: 10.1093/jxb/err434
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The changes of leaf carbohydrate contents as a regulator of autophagic degradation of chloroplasts via Rubisco-containing bodies during leaf senescence (2011)
  • Author(s): Izumi, M., Ishida, H.
  • Journal Title: Plant Signal Behav Volume: 6 Issue: 5 Pages: 685-687
  • DOI: 10.4161/psb.6.5.14949
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Autophagy contributes to Rubisco degradation during leaf senescence in Arabidopsis (2013)
  • Author(s): 小野佑樹、和田慎也、泉正範、牧野周、石田宏幸
  • Organizer: 第54回日本植物生理学会
  • Place of Presentation: 岡山大学（岡山市）
  • Year and Date: 2013-03-21
• [Presentation] シロイヌナズナのエネルギー利用におけるオートファジーの寄与について (2013)
  • Author(s): 泉正範、日出間純、牧野周、石田宏幸
  • Organizer: 第54回日本植物生理学会
  • Place of Presentation: 岡山大学（岡山市）
  • Year and Date: 2013-03-21
• [Presentation] Autophagy of chloroplasts during leaf senescence (2012)
  • Author(s): Ishida H.
  • Organizer: 10th International Congress on Plant Molecular Biology
  • Place of Presentation: 済州島ICC（韓国）
  • Year and Date: 2012-10-21
  • Invited
• [Presentation] シロイヌナズナ葉の栄養素リサイクルにおいてRCB/オートファジー系が担う役割の解析 (2012)
  • Author(s): 泉正範、日出間純、牧野周、石田宏幸
  • Organizer: 第58回日本土壌肥料学会
  • Place of Presentation: 鳥取大学（鳥取市）
  • Year and Date: 2012-09-04
• [Presentation] Rubisco分解におけるオートファジーの貢献度の評価 (2012)
  • Author(s): 小野佑樹、和田慎也、泉正範、牧野周、石田宏幸
  • Organizer: 第58回日本土壌肥料学会
  • Place of Presentation: 鳥取大学（鳥取市）
  • Year and Date: 2012-09-04
• [Presentation] シロイヌナズナ葉の炭素制限環境におけるRCB/オートファジー系の生理的意義について (2012)
  • Author(s): 泉正範, 牧野周, 石田宏幸
  • Organizer: 日本植物生理学会
  • Place of Presentation: 京都産業大学(京都市)
  • Year and Date: 2012-03-16
• [Presentation] 葉の老化と葉緑体のオートファジー (2011)
  • Author(s): 石田宏幸, 吉本光希, 和田信也, 泉正範, 小野祐樹, 牧野周
  • Organizer: 日本植物細胞分子生物学会
  • Place of Presentation: 九州大学(福岡市)
  • Year and Date: 2011-09-06