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: 25119703
• 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): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥9,360,000 (Direct Cost: ¥7,200,000、Indirect Cost: ¥2,160,000); Fiscal Year 2014: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2013: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
• Keywords: オートファジー / シロイヌナズナ / 葉緑体 / 栄養飢餓 / 光合成 / 老化

Outline of Annual Research Achievements

独立栄養生物である植物にとって、獲得した貴重な無機栄養素やエネルギーの体内での効率利用・リサイクルは、過酷な環境下での生存・成長戦略の一つとして重要な意味を持つ。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・オートファジーや、オートファジーによる葉緑体タンパク質の特異的な分解経路（RCB経路）が、植物の栄養飢餓応答に果たす役割について明らかにすることを目的とし、今年度は以下の項目を中心に解析を進めた。
（1）各種無機栄養素の欠乏耐性とオートファジー
シロイヌナズナのオートファジー欠損変異体（Atatg5-1, Atatg10-1）では、無機栄養素の中でも特に亜鉛の欠乏条件下で下位葉の枯死や生存率の低下が顕著であった。野生体では亜鉛欠乏によりオートファジーの誘導が確認された。atg変異体では、野生体に対して培地からの亜鉛の吸収量や葉や根への分配比に差がないことから、オートファジーに依存した亜鉛の細胞内リサイクルが亜鉛欠乏耐性に重要な役割を果たしていることが示唆された。
（2）光合成制限下でのエネルギー供給系としてのオートファジーの役割
光合成制限下ではオートファジーが糖に代わる呼吸基質としてのアミノ酸供給に寄与していることが示唆されている。今年度はAtatg変異体、アミノ酸異化代謝系酵素の欠損変異体（ivdh-1, d2hgdh1-2, etfqo-1, gdh1-2 gdh2-1）、及びそれらの多重変異体の暗処理下での表現形や遊離アミノ酸プールの変動を解析することで、オートファジーとアミノ酸異化代謝系の関係性を示した。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Establishment of monitoring methods for autophagy in rice reveals autophagic recycling of chloroplasts and root plastids during energy limitation. (2015)
  • Author(s): Izumi M, Hidema J, Wada S, Kondo E, Kurusu T, Kuchitsu K, Makino A, Ishida H.
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 169 Issue: 4 Pages: 1307-1320
  • DOI: 10.1104/pp.114.254078
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Autophagy supports biomass production and nitrogen use efficiency at the vegetative stage in rice (2015)
  • Author(s): Wada S, Hayashida Y, Izumi M, Kurusu T, Hanamata S, Kanno K, Kojima S, Yamaya T, Kuchitsu K, Makino A, Ishida H
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: in press Issue: 1 Pages: 60-73
  • DOI: 10.1104/pp.15.00242
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Roles of autophagy in chloroplast recycling (2014)
  • Author(s): Ishida H, Izumi M, Wada S and Makino A
  • Journal Title: Biochim. Biophys. Acta Volume: 1837 (4) Issue: 4 Pages: 512-521
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2013.11.009
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] OsATG7 is required for autophagy-dependent lipid metabolism in rice postmeiotic anther development (2014)
  • Author(s): Takamitsu Kurusu, Tomoko Koyano, Shigeru Hanamata, Takahiko Kubo, Yuhei Noguchi, Chikako Yagi, Noriko Nagata, Takashi Yamamoto, Takayuki Ohnishi, Yozo Okazaki, Nobutaka Kitahata, Daichi Ando, Masaya Ishikawa, Shinya Wada, Akio Miyao, Hirohiko Hirochika, Hiroaki Shimada, Amane Makino, Kazuki Saito, Hiroyuki Ishida, Tetsu Kjnoshita, Nori Kurata and Kazuyuki Kuchitsu^*
  • Journal Title: Autophagy Volume: 10(5) Issue: 5 Pages: 878-888
  • DOI: 10.4161/auto.28279
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Deficiency of autophagy leads to significant changes of metabolic profiles in Arabidopsis. (2013)
  • Author(s): Izumi M, Hidema J, Ishida H
  • Journal Title: Plant Signaling & Behavior Volume: 8 Issue: 8 Pages: 443-443
  • DOI: 10.4161/psb.25023
  • Peer Reviewed
• [Presentation] シロイヌナズナの亜鉛欠乏条件下におけるオートファジーの役割 (2015)
  • Author(s): 江口雅丈，木村和彦，和田慎也，泉正範，牧野周，石田宏幸
  • Organizer: 日本植物生理学会
  • Place of Presentation: 東京農業大学、世田谷
  • Year and Date: 2015-03-16 – 2015-03-18
• [Presentation] シロイヌナズナの暗処理による炭素欠乏条件下でオートファジーは分岐鎖アミノ酸を代替呼吸基質として供給する (2015)
  • Author(s): 弘田隆晃，泉正範，牧野周，石田宏幸
  • Organizer: 日本植物生理学会
  • Place of Presentation: 東京農業大学、世田谷
  • Year and Date: 2015-03-16 – 2015-03-18
• [Presentation] シロイヌナズナにおける糖欠乏下でのオートファジーの役割の解析 (2014)
  • Author(s): 弘田隆晃、泉正範、牧野周、石田宏幸
  • Organizer: 日本土壌肥料学会
  • Place of Presentation: 東京農工大学、府中
  • Year and Date: 2014-09-09 – 2014-09-11
• [Presentation] シロイヌナズナにおけるオートファジーの欠損が各栄養素の欠乏時の生存と成長に及ぼす影響の解析 (2014)
  • Author(s): 江口雅丈、泉正範、牧野周、石田宏幸
  • Organizer: 日本土壌肥料学会
  • Place of Presentation: 東京農工大学、府中
  • Year and Date: 2014-09-09 – 2014-09-11
• [Presentation] Autophagy for Photodamaged Chloroplast in Arabidopsis (2014)
  • Author(s): Izumi，M., Ishida，H., Makino，A., Hidema, J.
  • Organizer: 日本植物生理学会
  • Place of Presentation: 富山（富山大学）
• [Presentation] オートファジーの欠損がイネの栄養成長と窒素転流へ与える影響の解析 (2014)
  • Author(s): 林田泰和、和田慎也、来須孝光、朽津和幸、牧野周、石田宏幸
  • Organizer: 日本植物生理学会
  • Place of Presentation: 富山（富山大学）
• [Presentation] 植物の栄養リサイクルと葉緑体のオートファジー (2014)
  • Author(s): 石田宏幸
  • Organizer: 日本農芸化学会シンポジウム
  • Place of Presentation: 生田（明治大学）
  • Invited
• [Presentation] イネオートファジー欠損変異体Osatg7 の生理解析－ ( その１) 栄養成長期における個体生育について－ (2013)
  • Author(s): 和田慎也、林田泰和、来須孝光、朽津和幸、牧野周、石田宏幸
  • Organizer: 日本土壌肥料学会
  • Place of Presentation: 名古屋（名古屋大学）
• [Presentation] イネオートファジー欠損変異体Osatg7 の生理解析－（その２）葉の老化過程における窒素転流への影響について－ (2013)
  • Author(s): 林田泰和、和田慎也、来須孝光、朽津和幸、牧野周、石田宏幸
  • Organizer: 日本土壌肥料学会
  • Place of Presentation: 名古屋（名古屋大学）
• [Presentation] イネにおけるRubisco-containing body/ オートファジー系の可視化 (2013)
  • Author(s): 泉正範、日手間純、近藤依里、牧野周、石田宏幸
  • Organizer: 日本土壌肥料学会
  • Place of Presentation: 名古屋（名古屋大学）
• [Presentation] Role of autophagy in Rubisco degradation during leaf senescence (2013)
  • Author(s): Ishida, H., Ono, Y., Wada, S., Izumi, M., Yoshimoto, K., Mae, T., Makino, A.
  • Organizer: 6th European Workshop on Leaf Senescence
  • Place of Presentation: フランス（INRA-Versailles）
• [Presentation] Identification of a rice autophagy defected mutant, OsATG7, and phenotypes in the life cycle (2013)
  • Author(s): Wada, S., Hatyashida, Y., Kurusu, T., Kuchitsu, K., Makino, A., Ishida, H.
  • Organizer: 6th European Workshop on Leaf Senescence
  • Place of Presentation: フランス（INRA-Versailles）
• [Presentation] Autophagy in plant energy availability (2013)
  • Author(s): Izumi, M., Hirota, T., Hidema, J., Makino, A.
  • Organizer: 6th European Workshop on Leaf Senescence
  • Place of Presentation: フランス（INRA-Versailles）