ストレス適応における窒素リサイクルの隠れた機能の解明とプリン派生シグナルの検証

• Project Area: Integrated analysis of strategies for plant survival and growth in response to global environmental changes
• Project/Area Number: 23119514
• 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: Hiroshima University
• Principal Investigator: 坂本 敦 広島大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (60270477)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000); Fiscal Year 2012: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2011: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
• Keywords: プリン分解 / ストレス適応 / 窒素リサイクル / 窒素代謝 / シロイヌナズナ / 核酸塩基 / 代謝中間体 / アラントイン / 植物 / 異化代謝

Outline of Annual Research Achievements

核酸塩基（プリン塩基）の分解は，窒素リサイクルの端緒となる栄養代謝とされているが，乾燥などの環境要因によって活性化されストレス適応にも機能する。その作用機序としてストレス適応に貢献する代謝中間体の存在を想定し，昨年度に引き続きストレス条件で蓄積するプリン分解中間体アラントインに焦点を絞り，その恒常的な蓄積がもたらす植物生理や遺伝子発現への影響を解析し以下の結果を得た。
（１）アラントインの蓄積とストレス耐性：栄養成長が進行した植物を用いた場合は明確な結果は得られなかったが，実生を対象としてストレス耐性を評価した結果，アラントインを恒常的に蓄積するシロイヌナズナ変異株（２アリル）は高浸透圧や乾燥に対して野生株よりも高い耐性を持つことが判明した。
（２）アラントインの蓄積と遺伝子発現：変異株のトランスクリプトームは，通常条件下でもストレス応答やホルモン応答・代謝に関わる遺伝子群の発現が惹起するなど，野生株と比較して劇的に変動していることをすでに見出しているが，野生株にアラントインを投与した場合でも，典型的なアブシジン酸（ABA）/ストレス応答遺伝子の発現が有意に亢進することがわかった。また，変異株およびアラントイン処理を施した野生株におけるレポーター活性を指標に，ABA/ストレス応答遺伝子プロモーターの転写活性を評価し，これらのプロモーターがアラントイン存在下で活性化することを支持する結果も得られた。
（３）アラントインの蓄積とABAレベルの制御：変異株に観察される生理レベルや遺伝子レベルの恒常的なABA応答は一義的にABAレベルの亢進に帰せられるため，その原因を追究した結果，変異株では通常条件下でもABAの新生経路や再生経路（ABA配糖体の加水分解によるABAの遊離）の鍵ステップが活性化されていることを見出した。

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] Arabidopsis cotyledon chloroplast biogenesis factor CYO1 uses glutathione as electron donor and interacts with PSI (A1 and A2) and PSII (CP43 and CP47)subunits (2012)
  • Author(s): Muranaka, A., et al.
  • Journal Title: Journal of Plant Physiology Volume: 169 Issue: 12 Pages: 1212-1215
  • DOI: 10.1016/j.jplph.2012.04.001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The reductive reaction mechanism of tobacco nitrite reductase derived from a combination of crystal structures and UV-Vis (2012)
  • Author(s): S. Nakano, M. Takahashi, A. Sakamoto, H. Morikawa, K. Katayanagi
  • Journal Title: microspe ctroscopy. Proteins Volume: (in press) Issue: 8 Pages: 2035-2045
  • DOI: 10.1002/prot.24094
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] X-ray crystal structure of a mutant assimilatory nitrite reductase that shows sulfite reductase-like activity (2012)
  • Author(s): Shogo Nakano
  • Journal Title: Chemistry Biodiversity Volume: 9 Issue: 3 Pages: 1989-1999
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2008.10.060
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Differences in intron-mediated enhancement of gene expression by the first intron of cytosolic superoxide dismutase gene from rice in monocot and dicot plants (2012)
  • Author(s): Shigeto Morita
  • Journal Title: Plant Biotechnology Volume: 29 Issue: 1 Pages: 115-119
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.11.1207a
  • NAID: 10030561667
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structure-function relationship of assimilatory nitrite reductases from the leaf and root of tobacco based on high-resolution structures (2012)
  • Author(s): S. Nakano, M. Takahashi, A. Sakamoto, H. Morikawa, K. Katayanagi
  • Journal Title: Protein Sci Volume: 21(3) Issue: 3 Pages: 383-395
  • DOI: 10.1002/pro.2025
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Prolonged exposure to atmospheric nitrogen dioxide increases fruit yield of tomato plants (2011)
  • Author(s): M. Takahashi, A. Sakamoto, H. Ezura and H. Morikawa
  • Journal Title: Plant Biotechnology Volume: 28 Issue: 5 Pages: 485-487
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.11.0819a
  • NAID: 10030304072
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ストレス適応における核酸塩基代謝の作用機序と代謝中間体の役割 (2013)
  • Author(s): 渡邊俊介
  • Organizer: 第54回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岡山
  • Year and Date: 2013-03-21
• [Presentation] ウレイド化合物を蓄積するシロイヌナズナ変異株のストレス生理学的解析 (2013)
  • Author(s): 高木 紘
  • Organizer: 第54回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岡山
  • Year and Date: 2013-03-21
• [Presentation] Theoretical inference of the influence of metabolites on gene expression based on publicly available sets of microarray data (2013)
  • Author(s): Mariko Miyamoto
  • Organizer: 第54回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岡山
  • Year and Date: 2013-03-21
• [Presentation] Revealing a hidden role of nucleobases metabolism in plant strategies coping with stress (2012)
  • Author(s): Atsushi Sakamoto
  • Organizer: 平成24年度鳥取大学乾燥地研究センター共同研究発表会
  • Place of Presentation: 鳥取
  • Year and Date: 2012-12-01
• [Presentation] Purine ring catabolism is involved in plant drought protection (2011)
  • Author(s): Sakamoto, A., et al
  • Organizer: International Symposium "Strategies of Plants against Global Environmental Change"
  • Place of Presentation: Kurashiki, Japan
• [Presentation] Can purine metabolites serve as a potential inducer of gene expression?-A transcriptome analysis of Arabidopsis in response to allantoin (2011)
  • Author(s): Watanabe, S., et al
  • Organizer: International Symposium "Strategies of Plants against Global Environmental Change"
  • Place of Presentation: Kurashiki, Japan
• [Remarks]
  • URL: http://www.mls.sci.hiroshima-u.ac.jp/mpb/index.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] イネ形質転換体及びその作成方法 (2013)
  • Inventor(s): 島田裕士，坂本 敦
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人広島大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2013-048259
  • Filing Date: 2013-03-11