Molecular mechanism of the plant survival strategy of plants to drought stress

2012 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Integrated analysis of strategies for plant survival and growth in response to global environmental changes
• Project/Area Number: 22119004
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 篠崎 和子 東京大学, 農学生命科学研究科, 教授 (30221295)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 溝井 順哉 東京大学, 農学生命科学研究科, 助教 (20469753) ; 城所 聡 東京大学, 農学生命科学研究科, 助教 (70588368)
• Project Period (FY): 2010-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: 植物 / 環境応答 / 乾燥ストレス / 高温ストレス / 発現制御 / 転写因子

Outline of Annual Research Achievements

DREB2Aタンパク質は、プロテアソームによる選択的分解を受けていて、通常条件下では不安定で乾燥や高温のストレスにより安定化する。DREB2Aの分解に関わるE3リガーゼとして、DRIP1/2が同定されている。本年度、DRIP1/2欠損株においてもDREB2Aのストレスに応答した安定化が起こること、DRIP1/2欠損株では野生型と比べストレス時のDREB2Aの蓄積量が多くなることから、ストレス下でのDREB2Aの安定化には、DRIP1/2に依存しない機構が働いていることを示した。DREB2Aは核に局在するタンパク質であるが、核局在シグナルを同定して破壊し、核移行しないようにしたところ、細胞内に高蓄積した。従って、DREB2Aの選択的分解には核移行が必要であり、核内の因子が関与していることが示唆された。
DREB2A標的遺伝子は乾燥または高温ストレス特異的な誘導性を示す。これまでに、このような特異性はプロモーターの配列によって制御されていることを明らかにしている。本年度、プロモーターを断片化して更に変異を導入する実験から、このようなストレス特異性は、結合配列の近傍の配列の影響を受ける可能性が示された。
DREB2A遺伝子の転写制御に関し、これまでに乾燥および高温に応答した転写活性化に必要なシスおよびトランス因子をそれぞれ同定しているが、本年度は、非ストレス時にDREB2A遺伝子のプロモーターに作用する転写抑制因子として、GRF7を単離した。GRF7の機能欠損変異体では、非ストレス条件でDREB2Aを含む多数の乾燥ストレス誘導性遺伝子の発現が上昇しており、生育が抑制されていた。従って、シロイヌナズナは生育に適した条件下で最大限に生長するために、GRF7によって、生育の妨げとなる環境ストレス応答を積極的に抑制するという仕組みを持っていると考えられる。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

DREB2A遺伝子の転写活性化機構については、高温と乾燥ストレスに対する応答性を決定すシスおよびトランス因子を既に同定した。さらに、DREB2Aの発現が通常の生育条件では積極的に抑制されているという当初予測していなかったことが明らかになり、その分子機構も明らかになった。DREB2Aの翻訳後調節と標的遺伝子の特異性決定機構についても、概ね当初の計画通りに進行している。

Strategy for Future Research Activity

DREB2Aの活性化機構の解析においては、翻訳後制御に関係するドメインの解析を進める。また、植物体や培養細胞からの免疫沈降によるDREB2Aの分離と、相互作用因子や翻訳後修飾の解析を進めるとともに、安定性制御に関する解析も進める。DREB2Aによる下流遺伝子のストレス特異的な発現制御機構については、断片的あるいは変異を加えたプロモーターにレポーター遺伝子をつないで導入した形質転換体の作出と解析を進める。高温ストレスに応答したDREB2A遺伝子の発現にはHsfA1転写因子群が機能していることを示してきたが、HsfA1は恒常的に発現していることから、HsfA1の活性が翻訳後レベルでいかに調節されているのかを解析していく。

Research Products

• [Journal Article] Osmotic stress response and plant growth controlled by the potassium transporters in Arabidopsis. (2013)
  • Author(s): Osakabe, Y., Arinaga, N., Umezawa, T., Katsura, S., Nagamachi, K., Tanaka, H., Ohiraki, H., Yamada, K., Seo, S.-U., Abo, M., Yoshimura, E., Shinozaki, K., Yamaguchi-Shinozaki, K.
  • Journal Title: Plant Cell Volume: 25 Pages: 609-624
  • DOI: 10.1105/tpc.112.105700
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sensing the environment: key roles of membrane-localized kinases in plant perception and response to abiotic stress. (2013)
  • Author(s): Osakabe Y, Yamaguchi-Shinozaki, K, Shinozaki K, Phan Tran LS.
  • Journal Title: J Exp Bot. Volume: 64 Pages: 445-458
  • DOI: 10.1093/jxb/ers354.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pivotal role of the AREB/ABF-SnRK2 pathway in ABRE-mediated transcription in response to osmotic stress in plants. (2013)
  • Author(s): Fujita, Y., Yoshida, T., Yamaguchi-Shinozaki, K.
  • Journal Title: Physiologia Plantarum Volume: 147(1) Pages: 15-27
  • DOI: 10.1111/j.1399-3054.2012.01635.x.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Arabidopsis GROWTH-REGULATING FACTOR 7 functions as a transcriptional repressor of ABA- and osmotic stress-responsive genes including DREB2A. (2012)
  • Author(s): Kim, J.-S., Mizoi, J., Kidokoro, S., Maruyama, K., Nakajima, J., Nakashima K, Mitsuda N, Takiguchi Y, Ohme-Takagi M, Kondou Y, et al.
  • Journal Title: Plant Cell Volume: 24(8) Pages: 3393-3405
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rice phytochrome-interacting factor-like protein OsPIL1 functions as a key regulator of internode elongation and induces a morphological response to drought stress. (2012)
  • Author(s): Todaka, D., Nakashima, K., Maruyama, K., Kidokoro, S., Osakabe, Y., Ito Y, Matsukura S, Fujita Y, Yoshiwara K, Ohme-Takagi M, Kojima M, Sakakibara H, Shinozaki K, Yamaguchi-Shinozaki K.
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA. Volume: 109(39) Pages: 15947-15952
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] GmDREB2A;2, a canonical DREB2-type transcription factor in soybean, is post-translationally regulated and mediates DRE-dependent gene expression. (2012)
  • Author(s): Mizoi, J., Ohori, T., Moriwaki, T., Kidokoro, S., Todaka, D., Maruyama, K., Kusakabe, K., Osakabe, Y., Shinozaki, K., Yamaguchi-Shinozaki, K.
  • Journal Title: Plant Physiol. Volume: 161(1) Pages: 346-361
  • DOI: 10.1104/pp.112.204875.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Abiotic stress-inducible receptor-like kinases negatively control ABA signaling in Arabidopsis. (2012)
  • Author(s): Tanaka, H., Osakabe, Y., Katsura, S., Mizuno, S., Maruyama, K., Kusakabe, K., Mizoi, J., Shinozaki, K., Yamaguchi-Shinozaki, K.
  • Journal Title: Plant J. Volume: 70(4) Pages: 599-613
  • DOI: 10.1111/j.1365-313X.2012.04901.x.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Toward understanding transcriptional regulatory networks in abiotic stress responses and tolerance in rice. (2012)
  • Author(s): Todaka, D., Nakashima, K., Shinozaki, K., Yamaguchi-Shinozaki, K.
  • Journal Title: Rice Volume: 5 Pages: 6 (online only)
  • DOI: 10.1186/1939-8433-5-6
  • Peer Reviewed
• [Presentation] シロイヌナズナ培養細胞の核画分を用いたDREB2A の相互作用因子の探索 (2013)
  • Author(s): 森本恭子、圓山恭之進、溝井順哉、高橋史憲、篠崎一雄、篠崎和子
  • 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: 2013-10-21 – 2013-10-23
• [Presentation] 高温ストレスに対する植物の生存戦略 (2013)
  • Author(s): 篠崎和子
  • 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 – 2013-03-23
  • Invited
• [Presentation] シロイヌナズナのAP2/ERF型転写因子DREB2Aの翻訳後調節におけるSer/Thrクラスターを含む保存配列モチーフの機能解析 (2013)
  • Author(s): 溝井順哉、秦峰、城所聡、佐久間洋、篠崎一雄、篠崎和子
  • 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 – 2013-03-23
• [Presentation] Regulatory networks of gene expression in response to abiotic stress in rice (2012)
  • Author(s): Yamaguchi-Shinozaki, K.
  • Organizer: 10th International Congress on Plant Molecular Biology
  • Place of Presentation: Jeju,Korea
  • Year and Date: 2012-10-21 – 2012-10-26
  • Invited
• [Presentation] Identification of a conserved serine/threonine-rich motif that serves as a functional core for the negative regulation of DREB2-type transcription factors (2012)
  • Author(s): J. Mizoi, H. Sato, F. Qin, N. Yasuda, Y. Sakuma, K. Maruyama, A. Tanaka, D. Todaka, K. Shinozaki and K. Yamaguchi-Shinozaki
  • Organizer: 10th International Congress on Plant Molecular Biology
  • Place of Presentation: Jeju,Korea
  • Year and Date: 2012-10-21 – 2012-10-26
• [Presentation] Functional analysis of B-class heat shock transcription factors in Arabidopsis (2012)
  • Author(s): N. Ohama, J. Mizoi, T. Yoshida, T. Yoshida, K. Shinozaki and K.Y. Shinozaki
  • Organizer: 10th International Congress on Plant Molecular Biology
  • Place of Presentation: Jeju,Korea
  • Year and Date: 2012-10-21 – 2012-10-26
• [Presentation] NF-YC10, a novel interacting protein with Arabidopsis DREB2A, forms a NF-Y trimer and enhances the transcriptional activity of DREB2A under heat-stress conditions (2012)
  • Author(s): H. Sato, J. Mizoi, H. Tanaka, K. Maruyama, F. Qin, Y. Osakabe, K. Shinozaki and K.Y. Shinozaki
  • Organizer: 10th International Congress on Plant Molecular Biology
  • Place of Presentation: Jeju,Korea
  • Year and Date: 2012-10-21 – 2012-10-26
• [Presentation] Systems biology approaches to understand abiotic stress responses in plants. (2012)
  • Author(s): Yamaguchi-Shinozaki, K.
  • Organizer: Gordon Research Conference: Salt Water Stress in Plants
  • Place of Presentation: Hong Kong,China
  • Year and Date: 2012-06-24 – 2012-06-29
  • Invited
• [Remarks] カリウムイオン輸送体による植物の生長と乾燥ストレス応答の新規調節機構の発見
  • URL: http://www.a.u-tokyo.ac.jp/topics/2013/20130419-1.html
• [Remarks] 植物のストレス応答を抑えて生育を促進するタンパク質を発見
  • URL: http://www.a.u-tokyo.ac.jp/topics/2012/20120911-2.html