気孔開閉調節分子と特定アクアポリンの高濃度ＣＯ２への応答とＣＯ２供給系の理解

• Project Area: Comprehensive studies of plant responses to high CO2 world by an innovative consortium of ecologists and molecular biologists
• Project/Area Number: 24114706
• 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: Nagoya University
• Principal Investigator: 前島 正義 名古屋大学, 生命農学研究科, 教授 (80181577)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥13,000,000 (Direct Cost: ¥10,000,000、Indirect Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2013: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2012: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: 二酸化炭素濃度 / 情報変換分子 / アクアポリン / 情報伝達 / 細胞膜 / 高CO2 / 気孔 / 高温応答

Research Abstract

気孔開閉調節に関わる情報変換タンパク質PCaP1および水・CO2透過性アクアポリンPIPに焦点を当て、シロイヌナズナにおけるそれぞれの生理機能を明らかにし、高CO2下での両分子のCO2供給システムにおける役割とそれに関わる量的・機能的調節機構の解明を目的とした。
細胞膜のタンパク質PCaPのN端領域はCa-カルモジュリン(CaM)複合体、ホスファチジルイノシトールリン酸（PtdInsPs）と結合する。PtdInsPsとCaM/Caは拮抗的であり、CaM/Caの結合はPtdInsPsとの結合を解除する。この特性はCaシグナルからPtdInsPsシグナルへの変換を示唆した。2種PCaPのうちPCaP2は根毛形成に関わる。PCaP1は全ての組織で検出されるが、孔辺細胞においては外輪部のみに偏在する。この意味を検討する目的でPCaP1遺伝子のT-DNA挿入破壊株pcap1の表現型を解析したところ、暗所において閉じるべき気孔が閉じないという異常が見られた。また、生理的高CO2条件（700 ppm）で生育させるとpcap1株は野生株に比べて有為な生育向上が見られた。PCaP1は各細胞において独自の多様な役割を果たしている可能性が高く、孔辺細胞での気孔開閉調節は機能の一端であると考えた。分子の特性から解明するためPCaP1のタンパク質構造解析も進めた。
細胞膜アクアポリンPIP1は複数の植物でCO2透過性が認められており、PIP1の量の減少がCO2固定能の低下をもたらす。PIP1とPIP2のT-DNA挿入遺伝子破壊株のうち、pip1;1pip1;2、pip1;2pip2;5の二重遺伝子破壊株はそれぞれ野生株に比べ生育がよい傾向がみられた。PIP1分子種のみならず孔辺細胞で発現レベルの高いPIP2;5もCO2輸送に関わる可能性があり、岡山大学森博士と共同研究を進めてきた。さらに、高温応答性のPIP2;3については、遺伝子上流の高温応答性シス領域の特定、pip2;3株の水分特性、高CO2応答特性を明らかにした。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] The ABCA9 transporter facilitates seeds storage lipid synthesis at the endoplasmic reticulum. (2013)
  • Author(s): Kim, S., Yamaoka, Y., Ono, H., Kim, H., Shim, D., Maeshima, M., Martinoia, E., Cahoon, E.B., Nishida, I., Lee, Y.
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. Volume: 110 Issue: 2 Pages: 773-778
  • DOI: 10.1073/pnas.1214159110
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Arabidopsis TWISTED DWARF1 functionally interacts with auxin experter ABCB1 on the root plasma membrane. (2013)
  • Author(s): Wang, B., Bailly, A., Zwiewka, M., Henrichs, S., Azzarello, E., Mancuso, S., Maeshima, M., Friml, J., Schulz, A., Geisler, M.
  • Journal Title: Plant Cell Volume: 25 Issue: 1 Pages: 202-214
  • DOI: 10.1105/tpc.112.105999
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Zinc-binding and structural properties of the histidine-rich loop of Arabidopsis thaliana vacuolar membrane zinc transporter MTP1. (2013)
  • Author(s): Tanaka, N., Kawachi, M., Fujiwara, T., and Maeshima, M.
  • Journal Title: FEBS Open Bio Volume: 3 Issue: 1 Pages: 218-224
  • DOI: 10.1016/j.fob.2013.04.004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A role of phosphatidylinositol 3,5-bisphosphate in vacuolar structure change in guard cells of closing stomata. (2013)
  • Author(s): Bak, G., Lee, E.J., Lee, Y., Kato, M., Segami, S., Heven, S., Maeshima, M., Hwang, J.U., and Lee, Y.
  • Journal Title: Plant Cell Volume: 25 Issue: 6 Pages: 2202-2216
  • DOI: 10.1105/tpc.113.110411
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ion gradients in xylem exudate and guttation fluid related to tissue ion levels along primary leaves of barley. (2013)
  • Author(s): Nagai Makiko, Ohnishi Miwa, Uehara Takeo, Yamagami Mutsumi, Miura Eiko, Kamakura Mai, Kitamura Akira, Sakaguchi Shuichi, Sakamoto Wataru, Shimmen Teruo, Fukaki Hidehiro, Reid Rob, J., Furukawa Akio and Mimura Tetsuro
  • Journal Title: Plant, Cell & Environment Volume: 36 Issue: 10 Pages: 1826-1837
  • DOI: 10.1093/pcp/pct107
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mn tolerance in rice is mediated by MTP8.1, a member of the cation diffusion facilitator family. (2013)
  • Author(s): Chen, Z., Fujii, Y., Yamaji, N., Masuda, S., Takemoto, Y., Kamiya, T., Yusuyin, Y., Iwasaki, K., Kato, S., Maeshima, M., Ma, J.F., and Ueno, D.
  • Journal Title: Journal Experimental Botany Volume: 64 Issue: 14 Pages: 4375-4387
  • DOI: 10.1093/jxb/ert243
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhanced cell expansion in KRP2 overexpressor is mediated through increased V-ATPase activity. (2013)
  • Author(s): Ferjani, A., Ishikawa, K., Asaoka, M., Ishida, M., Horiguchi, G., Maeshima, M. and Tsukaya, H.
  • Journal Title: Plant Cell Physiology Volume: 54 Issue: 12 Pages: 1989-1998
  • DOI: 10.1093/pcp/pct138
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Class III compensation, represented by KRP2 overexpression, depends on V-ATPase activity in proliferative cells. (2013)
  • Author(s): Ferjani, A., Ishikawa, K., Asaoka, M., Ishida, M., Horiguchi, G., Maeshima, M., and Tsukaya, H.
  • Journal Title: Plant Signaling and Behavior Volume: 8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Ca2+-binding protein PCaP2 located on the plasma membrane is involved in root hair development as a possible signal transducer (2013)
  • Author(s): Kato, M., et. al.
  • Journal Title: Plant Journal Volume: (印刷中) Issue: 4 Pages: 690-700
  • DOI: 10.1111/tpj.12155
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Amino acid screening based on structural modeling identifies critical residues for function, ion selectivity and structure of Arabidopsis MTP1 (2012)
  • Author(s): Kawachi, M., et al
  • Journal Title: FEBS Journal Volume: (掲載確定) Issue: 13 Pages: 2339-2356
  • DOI: 10.1111/j.1742-4658.2012.08613.x
  • Peer Reviewed
• [Presentation] A unique aquaporin member in plasma membrane contributes to plant response to heat. (2014)
  • Author(s): Tsuchihira, A., Karine Prado, K., Hanba, Y. Mori, I., Maurel, C., Maeshima, M.
  • Organizer: Annual Meeting of The Japanese Society of Plant Physiologists.
  • Place of Presentation: Toyama University
  • Invited
• [Presentation] Extensive and transient gene expression enhancement of the plasma membrane aquaporin PIP2;3 in response to high temperatures in Arabidopsis thaliana. (2013)
  • Author(s): Tsuchihira, A., Hanba, Y., Maeshima, M.
  • Organizer: International Workshop on Plant Membrane Biology
  • Place of Presentation: 倉敷芸文館
• [Presentation] シロイヌナズナ無根毛変異株を用いたリン酸欠乏時における根毛の役割の解析. (2013)
  • Author(s): 田中奈月、加藤–藤原真理子、青山卓史、富岡利恵、倉田理恵、深尾陽一朗、前島正義.
  • Organizer: 日本植物生理学会2013年度年会
  • Place of Presentation: 岡山大学
• [Presentation] 細胞膜局在型新規Ca結合タンパク質PCaP1の構造とリガンド結合の解析. (2012)
  • Author(s): 相羽孝亮、長崎-武内菜穂子、前島正義
  • Organizer: 日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場
• [Presentation] 新規情報変換分子PCaP1の生理機能とくに気孔閉口における役割の解明. (2012)
  • Author(s): 三輪智佳、永田千咲子、林優紀、木下俊則、前島正義
  • Organizer: 日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場
• [Book] Progress in Botany, Vol. 75 (Ed. By U. Luettge) (2013)
  • Author(s): Ferjani, A., Segami, S., Asaoka, M., and Maeshima, M.
  • Publisher: Springer-Verlag