細胞伸長を制御するホウ酸によるペクチン架橋の形成

• Project Area: Plant cell wall as information-processing system
• Project/Area Number: 25114502
• 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: Hokkaido University
• Principal Investigator: 三輪 京子 北海道大学, 地球環境科学研究科(研究院), 准教授 (50570587)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2014: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2013: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 植物細胞壁 / ペクチン質多糖 / ラムノガラクツロナンII / ホウ酸 / シロイヌナズナ / 分子遺伝学 / 変異株

Outline of Annual Research Achievements

植物の一次細胞壁に存在するペクチン質多糖ラムノガラクツロナンII（RG-II）はホウ酸で分子間架橋されており、接着成分として細胞伸長に必須である。ホウ酸架橋されたRG-IIが細胞壁の成分であることに加え、情報分子として植物の成長を制御する可能性が示唆されている。本研究では、「RG-II架橋率の低下がホウ素欠乏を表す指標となり、積極的な応答として成長を抑制する」仮説の検証を目指し、RG-IIのホウ酸架橋による成長の制御の分子機構の解明を目的とした。
まず、ホウ酸欠乏下での主根伸長抑制が緩和・解除された「ホウ酸欠乏低感受性シロイヌナズナ変異株」を探索・単離した。EMS処理したCol-0を用い、1万2400のM2種子から22系統を単離した。原因変異のひとつが、真核生物に広く保存された機能未知のゴルジ体局在の膜タンパク質の機能欠損・発現低下であることを見出した。この変異株はペクチン修飾酵素であるPMEの阻害剤EGCGに対する感受性の低下を示し、細胞壁の構造変化に対する感受性が低下していると考察された。この結果は、ホウ素欠乏条件下において、細胞壁の構造異常に応答して根の伸長を抑制する正の因子を同定した成果と考えられた。加えて、その他の変異株の原因変異としてペクチン合成を担うと予想される酵素遺伝子群の機能欠損が見出された。架橋されたRG-IIの絶対量ではなく、相対的な架橋率が成長を決定する要因であると推察され、細胞壁構造変化が無機栄養特性の変化を起こすことが考察された。
さらに、標準系統Col-0と比較してホウ酸欠乏下で主根伸長を示すシロイヌナズナのナチュラルアクセッション2系統の遺伝学解析を行ったところ、2系統でそれぞれ異なる領域に原因遺伝子がマップされた。系統によって独立かつ既知の遺伝子座とは異なる新規の遺伝子座がホウ素欠乏耐性を制御していることを明らかにした。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Synthesis of borate cross-linked rhamnogalacturonan II. (2015)
  • Author(s): Funakawa, H., Miwa, K.
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 6 Pages: 223-223
  • DOI: 10.3389/fpls.2015.00223
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Strategies for optimization of mineral nutrient transport in plants: multi-level regulation of nutrient-dependent dynamics of root architecture and transporter activity. (2014)
  • Author(s): Aibara, I, Miwa, K.
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 55 Issue: 12 Pages: 2027-2036
  • DOI: 10.1093/pcp/pcu156
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Roles of BOR2, an efflux-type boron transporter, in crosslinking of rhamnogalacturonan II and root elongation under boron limitation in Arabidopsis thaliana. (2013)
  • Author(s): Miwa, K., Wakuta, S., Takada, S., Ide, K., Takano, J., Naito, S., Omori, H., Matsunaga, T., Fujiwara, T
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 163 Issue: 4 Pages: 1699-1709
  • DOI: 10.1104/pp.113.225995
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ペクチン架橋形成によるホウ素栄養環境に応答した成長制御 (2015)
  • Author(s): 三輪京子
  • Organizer: 第56回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 東京農業大学（東京都）
  • Year and Date: 2015-03-16 – 2015-03-18
  • Invited
• [Presentation] ガラクツロン酸転移酵素の変異はシロイヌナズナにおいてホウ素要求量を低下させる (2015)
  • Author(s): 船川寛矢、福間健、三輪京子
  • Organizer: 第56回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 東京農業大学（東京都）
  • Year and Date: 2015-03-16 – 2015-03-18
• [Presentation] 低ホウ素耐性を示すシロイヌナズナナチュラルアクセッションの遺伝学的解析 (2015)
  • Author(s): 久野香織、佐野亮輔、倉田哲也、出村拓、千葉美恵、三輪京子
  • Organizer: 第56回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 東京農業大学（東京都）
  • Year and Date: 2015-03-16 – 2015-03-18
• [Presentation] A novel strategy to identify a gene to increase nutrient use efficiency in Arabidopsis thaliana. (2014)
  • Author(s): Miwa, K.
  • Organizer: XII France-Japan Workshop on Plant Science 2014
  • Place of Presentation: 東京大学（東京都）
  • Year and Date: 2014-10-27 – 2014-10-29
  • Invited
• [Presentation] A novel strategy to identify a gene to regulate nutrient requirement in plants. (2014)
  • Author(s): Fukuma, K., Fujiwara, T., Miwa, K.
  • Organizer: The 38th Naito Conference, Molecule-based biological systems
  • Place of Presentation: シャトレーゼガトーキングダムサッポロ（北海道・札幌市）
  • Year and Date: 2014-10-07 – 2014-10-10
• [Presentation] ガラクツロン酸転移酵素10への変異は植物の成長に必要なホウ素量を低下させる (2014)
  • Author(s): 船川寛矢、福間健、三輪京子
  • Organizer: 新学術領域「植物細胞壁機能」第3回若手ワークショップ、第8回細胞壁ネットワーク研究会
  • Place of Presentation: 阿蘇プラザホテル（熊本県・阿蘇市）
  • Year and Date: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [Presentation] ホウ素欠乏条件における主根伸長抑制が緩和されたシロイヌナズナ変異株の解析～「植物の栄養欠乏に対する積極的な成長抑制」の仮説の検証～ (2014)
  • Author(s): 廣口覚彦、三輪京子
  • Organizer: 新学術領域「植物細胞壁機能」第3回若手ワークショップ、第8回細胞壁ネットワーク研究会
  • Place of Presentation: 阿蘇プラザホテル（熊本県・阿蘇市）
  • Year and Date: 2014-09-24 – 2014-09-26
• [Presentation] 活性型ビタミンB6合成酵素の変異株の生育抑制は高濃度のホウ酸により回復する (2014)
  • Author(s): 相原いづみ、三輪京子
  • Organizer: 日本土壌肥料学会2014年度東京大会
  • Place of Presentation: 東京農工大学（東京都・小金井市）
  • Year and Date: 2014-09-09 – 2014-09-11
• [Presentation] Identification of a novel gene to determine boron requirement for pectin. (2014)
  • Author(s): Fukuma, K., Fujiwara, T., Miwa, K.
  • Organizer: 5th International Conference on Plant Cell Wall Biology (PCWB2014)
  • Place of Presentation: パームコーブ（オーストラリア）
  • Year and Date: 2014-07-27 – 2014-07-31
• [Presentation] ホウ酸架橋されたペクチンによるホウ素栄養応答 (2014)
  • Author(s): 三輪京子
  • Organizer: 第55回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 富山大学（富山県・富山市）
  • Year and Date: 2014-03-18 – 2014-03-20
  • Invited
• [Presentation] ホウ素の恒常性におけるホウ酸輸送体BOR1の転写後制御の役割 (2013)
  • Author(s): 相原いづみ、三輪京子
  • Organizer: 新学術領域「植物細胞壁機能」第2回若手ワークショップ、第7回細胞壁ネットワーク研究会
  • Place of Presentation: つくばグランドホテル（茨城県・つくば市）
  • Year and Date: 2013-11-13 – 2013-11-15
• [Presentation] ガラクツロン酸転移酵素変異によるホウ素欠乏条件における生育改善 (2013)
  • Author(s): 福間健、三輪京子
  • Organizer: 新学術領域「植物細胞壁機能」第2回若手ワークショップ、第7回細胞壁ネットワーク研究会
  • Place of Presentation: つくばグランドホテル（茨城県・つくば市）
  • Year and Date: 2013-11-13 – 2013-11-15
• [Presentation] ラムノガラクツロナンＩＩ合成に関与する新規分子の同定を目指したシロイヌナズナ高ホウ素要求性株の解析 (2013)
  • Author(s): 船川寛矢、三輪京子
  • Organizer: 新学術領域「植物細胞壁機能」第2回若手ワークショップ、第7回細胞壁ネットワーク研究会
  • Place of Presentation: つくばグランドホテル（茨城県・つくば市）
  • Year and Date: 2013-11-13 – 2013-11-15
• [Presentation] Formation of pectic networks by borate - identification of novel genes to regulate boron demand and supply for plant cell walls. (2013)
  • Author(s): Miwa, K.
  • Organizer: International Symposium on Cell Wall Integrity
  • Place of Presentation: 東京大学（東京都）
  • Year and Date: 2013-10-30
  • Invited