2020 Fiscal Year Annual Research Report
Structural and chemical properties of non-cellulosic cell wall polymers contributing to mechanical strength of plants
| Project Area | Elucidation of the strategies of mechanical optimization in plants toward the establishment of the bases for sustainable structure system |
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| Project/Area Number |
18H05495
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
小竹 敬久 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (20334146)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石水 毅 立命館大学, 生命科学部, 教授 (30314355)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 細胞壁 / アラビノガラクタン-プロテイン / ペクチン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
植物の細胞壁は屋台骨に相当するセルロースに加えて、ヘミセルロースやペクチン、細胞外プロテオグリカンなどの様々な非セルロース性多糖類で構成される。本研究は、特に細胞外プロテオグリカンであるAGPとペクチンの分子機能に着目して、植物体にしなやかで強い力学特性が付与される仕組みを解明することを目指している。2020年度は、in vivoでAGPの糖鎖主鎖であるβ-1,3-ガラクタンを分解すると胚軸や子葉の細胞が著しく肥大し、組織形態が大きく乱れることを報告した。また、イギリス・ケンブリッジ大との共同研究では、末端の4-メチルグルクロン酸残基を欠損したシロイヌナズナはわい性となり、低いカルシウム濃度では形態異常を示すことを明らかにした。今後は、β-1,6-ガラクタン側鎖や他の末端糖残基の生理的重要性と分子機能の解明を進める。
AGPの機能発現に関わる因子の同定を目指して、既存の細胞壁変異体のヤリブ試薬感受性について調べたところ、セルロース合成に異常をもつ変異体の多くが、野生型植物とは異なるヤリブ試薬応答性を示すことがわかった。この結果は、AGPの糖鎖がセルロース合成を介して、細胞形態の制御に関わることを示唆している。
ペクチンは、HGとRG-I 、RG-IIの３領域をもつが、特にRG-Iの機能がよくわかっていない。昨年度までの実験で、RG-IIが異常な変異体では、胚軸の伸展性が顕著に低下し、RG-Iの特定の成分が顕著に増加していることがわかった。植物にはRG-IIの異常を感知して、RG-Iを増やす機構が存在する可能性がある。今年度は、免疫染色でこの成分が胚軸の表皮で蓄積していることを観察するとともに、蓄積に関わる遺伝子の発現レベルが上昇していることを明らかにした。今後は、RG-IIとRG-Iの両方が異常な二重変異体を作成し、このRG-I糖鎖の物性への貢献を明らかにする。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究項目「優れた力学特性を生む細胞伸展性・形態形成の自律的制御機構の解明」では、真菌由来の強力な糖鎖分解酵素を利用したin vivoのAGPの糖鎖分解が劇的な細胞形態の異常を引き起こすことを報告した。また、海外との共同研究では、AGPの糖鎖末端である4-メチルグルクロン酸残基の重要性を論文発表することができた。AGPの機能阻害剤であるヤリブ試薬によるAGPの機能発現に関わる因子の探索では、新規変異体の原因遺伝子特定には手間取っているが、既存変異体の解析から、セルロース合成系との関連がわかりつつあり、順調に進展していると判断した。研究項目「力学的最適解を生む細胞接着の形成・キャンセル制御機構の解明」では、昨年度得られた結果を掘り下げ、ペクチンのRG-IIが異常な変異体では、RG-Iの特定の糖鎖が胚軸の表皮細胞で顕著に増えていることを確認し、関連する遺伝子の発現上昇を明らかにすることができた。今後は二重変異体等を利用して、この増加した糖鎖が植物体の物性にどのように貢献しているのかを調べる必要がある。研究項目「重力に抗する植物の動的な体作りの仕組みの解明」については、2020年度は出張の制限があったために、十分に実験を進めることができなかった。生育条件の検討や解析対象とする変異体の絞り込み、実験に用いるこれらの種子の準備は進めたので、次年度以降、実験を行いたい。
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| Strategy for Future Research Activity |
AGPは細胞壁の微量成分であり、AGPの糖鎖そのものが細胞壁の物性に貢献しているとは考えにくい。本研究では、これまでにAGPの糖鎖主鎖をin vivoで特異的に破壊すると、表皮細胞の著しい肥大とともに、組織形態の乱れを観察している。また、糖鎖末端の4-メチルグルクロン酸残基を欠損したシロイヌナズナ変異体は、形態異常を示すとともに、カルシウム濃度の低下に敏感になることもわかった。糖鎖主鎖の破壊により引き起こされる形質は極めて劇的であることから、AGPの糖鎖には4-メチルグルクロン酸残基以外にも生理的に重要な構造が含まれていると考えられる。そこで、今後は真菌由来のエンド-β-1,6-ガラクタナーゼが発現する植物を作成し、β-1,6-ガラクタン側鎖の重要性と分子機能を探る予定である。加えて、前年度までに単離できたヤリブ試薬感受性変異体の原因遺伝子を特定し、AGPの糖鎖の機能発現に関わる因子やこれらによる植物細胞の形態制御機構の解明を進める予定である。
ペクチンはHG、RG-I、RG-IIの３領域から成るが、ラムノース残基とガラクツロン酸残基が交互に配置する主鎖にガラクタンやアラビナンが結合するRG-Iは、いまだにその分子機能がよくわかっていない。RG-IIの機能が低下したシロイヌナズナ変異体では、RG-Iの特定の糖鎖が増加し、胚軸の伸展性が低下していることがわかったが、この糖鎖がどのように植物体の物性に貢献しているかはわからない。そこで、このRG-I糖鎖の合成が異常なシロイヌナズナ変異体について、遠心過重力環境での成長や胚軸物性を調べ、分子機能を検証する予定である。さらに、RG-IIとRG-Iの両方に異常をもつ二重変異体を作出して同様の解析を行い、RG-IIとRG-Iの機能上の関係を整理する予定である。
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Research Products
(19 results)
