共生による葉緑体光応答系の成立と進化

• Project Area: "Matryoshka"-type evolution of eukaryotes
• Project/Area Number: 24117505
• 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: Chiba University
• Principal Investigator: 華岡 光正 千葉大学, 園芸学研究科, 准教授 (30508122)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2013: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2012: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 葉緑体 / 共生進化 / 二成分制御系 / 光環境応答 / 光合成 / 転写制御 / 進化

Research Abstract

葉緑体は原始シアノバクテリアの内部共生により成立したと考えられている。光合成機能を守るための光応答系は、高等植物に至る進化の過程で宿主に移行したとされているが、少なくとも共生当初の細胞では葉緑体で完結していたと想定される。本研究では、細胞内共生起源に近い葉緑体を持つ原始紅藻シアニディオシゾンを用いて、葉緑体を中心とした光応答系の分子機構、および葉緑体による宿主支配機構を明らかにすることで、内部共生に基づく植物進化の実体を明確にすることを目的とした。特に、葉緑体の起源であるシアノバクテリアの光受容系が共生後の葉緑体にも部分的に保存されているとの作業仮説のもと、共生進化における光応答システムの宿主への移行過程、および共生体-宿主間における相互支配関係の理解を目指し研究を行った。2年目にあたる本年度は、まずHIK自身が光を直接受容している可能性を検証するため、精製したHIKタンパク質を用いて生化学・分光学的解析を進めた。Zinc-blot解析や吸収スペクトル解析を行った結果、HIKが従来の植物型光受容体ではない新しいタイプの光センサーであることが予想された。さらに、間接的なHIK活性制御の可能性を検討するため、酵母Two-hybrid法によりHIKに結合するタンパク質を探索したところ、少なくとも3種類の候補を得ることが出来た。以上の解析により、HIKが葉緑体内の光応答系に直接関与している可能性が示唆された。一方、この葉緑体の光受容系が宿主ゲノムの光依存転写制御にも関与していることを示すため、HIKの過剰発現株や阻害剤を用いた解析を集中的に行った結果、一部の核遺伝子の発現が葉緑体内の光環境に依存して調節されていることが示され、未知のプラスチドシグナル伝達経路を介した遺伝子発現調節機構の存在が予想された。

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 circadian regulation of photosynthesis. (2014)
  • Author(s): Dodd AN, Kusakina J, Hall A, Gould PD, Hanaoka M.
  • Journal Title: Photosynth Res. Volume: 119 Issue: 1-2 Pages: 181-190
  • DOI: 10.1007/s11120-013-9811-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sense transgene-induced post-transcriptional gene silencing in tobacco compromises the splicing of endogenous counterpart genes. (2014)
  • Author(s): Shin MR, Natsuume M, Matsumoto T, Hanaoka M, Imai M, Iijima K, Oka S, Adachi E, Kodama H.
  • Journal Title: PLoS One. Volume: 9 Issue: 2 Pages: e87869-e87869
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0087869
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 植物が葉緑体に「時」の情報を伝えるメカニズム (2014)
  • Author(s): 華岡光正
  • Journal Title: バイオサイエンスとインダストリー Volume: 72 Pages: 125-126
• [Journal Article] Circadian control of chloroplast transcription by a nuclear-encoded timing signal. (2013)
  • Author(s): Noordally ZB, Ishii K, Atkins KA, Wetherill SJ, Kusakina J, Walton EJ, Kato M, Azuma M, Tanaka K, Hanaoka M, Dodd AN.
  • Journal Title: Science Volume: 339 Issue: 6125 Pages: 1316-1319
  • DOI: 10.1126/science.1230397
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mitochondrial localization of ferrochelatase in a red alga Cyanidioschyzon merolae (2013)
  • Author(s): S. Watanabe , M. Hanaoka, M. Ohnuma, S. Taketani and K.Tanaka
  • Journal Title: Plant Cell Physiol. Volume: 54 Issue: 8 Pages: 1289-1295
  • DOI: 10.1093/pcp/pct077
  • NAID: 10031195182
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Characterization of four nuclear-encoded plastid RNA polymerase sigma factor genes in the liverwort Marchantia polymorpha: blue-light- and multiple stress-responsive SIG5 was acquired early in the emergence of terrestrial plants. (2013)
  • Author(s): Kanazawa T, Ishizaki K, Kohchi T, Hanaoka M, Tanaka K.
  • Journal Title: Plant Cell Physiol. Volume: 54 Issue: 10 Pages: 1736-1748
  • DOI: 10.1093/pcp/pct119
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nuclear-encoded chloroplast RNA polymerase sigma factor SIG2 activates chloroplast-encoded phycobilisome genes in a red alga, Cyanidioschyzon merolae. (2013)
  • Author(s): Fujii G, Imamura S, Hanaoka M, Tanaka K.
  • Journal Title: FEBS Lett. Volume: 587 Issue: 20 Pages: 3354-3359
  • DOI: 10.1016/j.febslet.2013.08.031
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] ChIP法を用いた葉緑体光合成遺伝子の転写制御解析 (2013)
  • Author(s): 華岡光正
  • Journal Title: 光合成研究 Volume: 23 Pages: 107-110
  • NAID: 40019934270
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The early days of plastid retrograde signaling with respect to replication and transcription (2013)
  • Author(s): Kan Tanaka
  • Journal Title: Front. Plant Physiol. Volume: 3 Pages: 1-5
  • DOI: 10.3389/fpls.2012.00301
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 24時間リズムを生み出す遺伝子発現調節機構 (2013)
  • Author(s): 華岡光正
  • Journal Title: バイオサイエンスとインダストリー Volume: 71 Pages: 36-37
  • NAID: 10031140300
• [Journal Article] 単細胞紅藻シゾンにおける光応答：葉緑体自律的な転写制御 (2013)
  • Author(s): 華岡光正
  • Journal Title: BSJ-Review「植物科学の最前線」 Volume: 4 Pages: 13-20
• [Journal Article] The circadian regulation of photosynthesis. (2013)
  • Author(s): Antony N. Dodd
  • Journal Title: Photosynthesis Research Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Retrograde signals arise from reciprocal crosstalk within plastids (2012)
  • Author(s): Kazuhiko Enami
  • Journal Title: Plant Signal.Behav. Volume: 7 Issue: 1 Pages: 142-144
  • DOI: 10.4161/psb.7.1.18451
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Nuclear-encoded plastid sigma factor SIG6 exclusively contributes to chloroplast differentiation in plastid differentiation of Arabidopsis thaliana. (2012)
  • Author(s): Shunsuke Hirooka
  • Journal Title: Cytologia Volume: 77 Pages: 73-82
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] RpaB, another response regulator operating circadian clock-dependent transcriptional regulation in Synechococcus elongat us PCC 7942. (2012)
  • Author(s): Hanaoka M, Takai N, Hosokawa N, Fujiwara M, Akimoto Y, Kobori N, Iwasaki H, Kondo T, Tanaka K.
  • Journal Title: J Biol Chem Volume: 287(31) Issue: 31 Pages: 26321-7
  • DOI: 10.1074/jbc.m111.338251
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] SIG1, a sigma factor for the chloroplast RNA polymerase, differentially associates with multiple DNA regions in the chloroplast chromosomes in vivo (2012)
  • Author(s): Mitsumasa Hanaoka
  • Journal Title: Int. J. Mol. Sci. Volume: 13 Issue: 10 Pages: 12182-12194
  • DOI: 10.3390/ijms131012182
  • Peer Reviewed
• [Presentation] アミロプラスト分化における核遺伝子の発現制御 (2013)
  • Author(s): 恩田和幸
  • Organizer: 第54回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岡山大学（岡山）
  • Year and Date: 2013-03-22
• [Presentation] シロイヌナズナT87細胞を用いた葉緑体分化における遺伝子発現制御の解析 (2013)
  • Author(s): 華岡光正
  • Organizer: 第54回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岡山大学（岡山）
  • Year and Date: 2013-03-21
• [Presentation] シアノバクテリアの概日時計機構を支えるRpaA/Bによる協調的な転写制御 (2012)
  • Author(s): 華岡光正
  • Organizer: 第35回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡）
  • Year and Date: 2012-12-13
• [Presentation] 単細胞紅藻Cyanidioschyzon merolaeの光応答に関与する葉緑体二成分制御系の解析 (2012)
  • Author(s): 佐藤大地
  • Organizer: 日本農芸化学会関東支部2012年度大会
  • Place of Presentation: 新潟薬科大学（新潟）
  • Year and Date: 2012-10-27
• [Presentation] ChIP法によるシロイヌナズナの葉緑体分化に伴った転写制御機構の解析 (2012)
  • Author(s): 華岡光正
  • Organizer: 第76回日本植物学会大会
  • Place of Presentation: 兵庫県立大学（姫路）
  • Year and Date: 2012-09-16
• [Presentation] シアノバクテリアの概日時計出力系に関わる新規転写制御因子RpaBの役割 (2012)
  • Author(s): 華岡光正
  • Organizer: 第19回日本時間生物学会学術大会
  • Place of Presentation: 北海道大学（札幌）
  • Year and Date: 2012-09-15
• [Presentation] paB is involved in transcriptional regulation in response to the circadian clock as well as high light stress in Synechococcus elongatus PCC 7942 (2012)
  • Author(s): Mitsumasa Hanaoka
  • Organizer: ISPP 2012: The 14th International symposium on Phototrophic Prokaryotes
  • Place of Presentation: Porto Pal#225;cio（ポルトガル）
  • Year and Date: 2012-08-10
• [Presentation] 単細胞紅藻シゾンの光応答における葉緑体二成分制御系の役割 (2012)
  • Author(s): 佐藤大地
  • Organizer: 第3回光合成学会・シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京工業大学（横浜）
  • Year and Date: 2012-06-01
• [Presentation] 葉緑体の分化・発達に伴った光合成遺伝子の転写制御
  • Author(s): 安間美里、木山貴史、加藤麻衣子、江波和彦、田中寛、華岡光正
  • Organizer: 第4回光合成学会・シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋大学
• [Presentation] 概日時計シグナルによる葉緑体遺伝子の転写調節
  • Author(s): 石井健雄、加藤麻衣子、Zeenat B. Noordally、Kelly A. Atkins、Jelena Kusakina、東美由紀、田中寛、Antony N. Dodd、華岡光正
  • Organizer: 第4回光合成学会・シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋大学
• [Presentation] Roles of the possible photosensory two-component system in the chloroplasts of Cyanidioschyzon merolae
  • Author(s): Mitsumasa Hanaoka, Takayuki Kawakami, Daichi Satoh, Hiroyuki Ando, Gaku Fujii, Sousuke Imamura and Kan Tanaka
  • Organizer: International Symposium of Plant Photobiology (ISPP) 2013 conference
  • Place of Presentation: The University of Edinburgh, UK
  • Invited
• [Presentation] Endosymbiotic evolution of light responses in chloroplasts
  • Author(s): Mitsumasa Hanaoka, Takayuki Kawakami, Daichi Satoh, Hiroyuki Ando, Misato Anma, Gaku Fujii, Sousuke Imamura and Kan Tanaka
  • Organizer: The 12th International Colloquium on Endocytobiology and Symbiosis
  • Place of Presentation: Halifax University, Canada
  • Invited
• [Presentation] RNAサイレンシングにともなうスプライシングへの干渉作用について
  • Author(s): 申美來、松本貴嗣、華岡光正、今井美咲、飯島健、児玉浩明
  • Organizer: 第31回日本植物細胞分子生物学会大会・シンポジウム
  • Place of Presentation: 北海道大学
• [Presentation] 単細胞紅藻シゾンの葉緑体光応答と転写制御機構
  • Author(s): 佐藤大地、安藤洸幸、小倉駿佑、藤井岳、今村壮輔、田中寛、華岡光正
  • Organizer: 第77回日本植物学会大会
  • Place of Presentation: 北海道大学
• [Presentation] 葉緑体分化過程におけるプラスチドシグナルに依存した遺伝子発現制御
  • Author(s): 江波和彦、木山貴史、上原浩一、華岡光正
  • Organizer: 第36回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場
• [Presentation] 色素体分化と概日時計機構を支える核と葉緑体間のシグナル伝達
  • Author(s): 華岡光正
  • Organizer: 第16回植物オルガネラワークショップ
  • Place of Presentation: 富山大学
  • Invited
• [Presentation] 概日リズム情報の共有に関わる核と葉緑体間のシグナル伝達
  • Author(s): 石井健雄、加藤麻衣子、Zeenat B. Noordally、Kelly A. Atkins、Jelena Kusakina、東美由紀、田中寛、Antony N. Dodd、華岡光正
  • Organizer: 第55回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 富山大学
• [Presentation] シロイヌナズナ培養細胞におけるアミロプラスト分化機構の解析
  • Author(s): 恩田和幸、江波和彦、華岡光正
  • Organizer: 第55回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 富山大学
• [Presentation] Cyanidioschyzon merolaeの光応答転写制御における二成分制御系の役割
  • Author(s): 安藤洸幸、小倉駿佑、佐藤大地、藤井岳、今村壮輔、田中寛、五十嵐雅之、内海龍太郎、華岡光正
  • Organizer: 日本農芸化学会2014年度大会
  • Place of Presentation: 明治大学
• [Presentation] シロイヌナズナT87培養細胞の葉緑体分化に際した転写制御の解析
  • Author(s): 木山貴史、江波和彦、上原浩一、華岡光正
  • Organizer: 日本農芸化学会2014年度大会
  • Place of Presentation: 明治大学