トウモロコシ葉PEPカルボキシラ-ゼ遺伝子発現の窒素による制御機構

1991 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 02454010
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 杉山 達夫 名古屋大学, 農学部, 教授 (50023453)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 長谷 俊治 名古屋大学, 農学部, 助教授 (00127276)
• Keywords: トウモロコシ(Zea mays L.) / PEPカルボキシラ-ゼ / カルボニックアンヒドラ-ゼ / グルタミン合成酵素 / グルタミン酸合成酵素 / 窒素による遺伝子発現制御 / C_4光合成遺伝子 / サイトカイニン

Research Abstract

窒素ストレス下で生育したトウモロコシ幼植物に窒素源を補填し、その完全に展開した最も若い葉の基部、すなわち、成熟中の光合成細胞について、ストレス回復過程における代謝中間体、酵素活性、タンパク質およびmRNAの解析を基に以下の研究成果を得た。
(A)PEPカルボキシラ-ゼ(PEPC)の優先的な蓄積は窒素の栄養状態に応答し、一義的には転写段階で制御される。この遺伝子発現を誘導する窒素栄養状態を解析し、グルタミン(またはその下流代謝産物)がこの遺伝子発現を制御するシグナルとなることを明らかにした。さらに、グルタミンの蓄積を制御する代謝的な要因を探索し、その蓄積は窒素ストレスからの回復過程で生ずるグルタミン合成酵素とグルタミン酸合成酵素の活性比の変動に起因することを強く示唆する結果を得た。
(B)窒素ストレス植物の切取り葉における窒素に依存したPEPC遺伝子の発現には、窒素源に加えてゼアチンが必須であることを明らかにした。この植物ホルモンの効果の特異性を検討し、サイトカイニンが特異的なであることを立証した。
(C)PEPCと同様にこの植物の葉肉細胞サイトソルに局在し核遺伝子の支配を受け、PEPCに基質HCO_3ーを供給するカルボニックアンヒドラ-ゼ(CA)の遺伝子発現の挙動を解析した。その結果、これら両酵素は同一または類似のしくみによって窒素に依存した発現制御を受け、それらの遺伝子は整合的に発現することを明らかにした。
(D)この植物の光合成細胞のサイトソルに局在するグルタミン合成酵素(GSI)の窒素による遺伝子発現制御を解析した。この酵素のmRNA蓄積は窒素の栄養状態とは無関係に一定であることが明らかになった。このことは窒素依存の遺伝子発現が少なくともPEPCとCAに特異的であることを示すものである。

Research Products

• [Publications] Bambang Sugiharto: "Regulation of expression of carbonーassimilating enzymes by nitrogen in maize leaf." Plant Physiology. 92. 963-969 (1990)
• [Publications] James N.Burnell: "Light induction and the effect of nitrogen status upon the activity of carbonic anhybrase in maize leaves." Plant Physiology. 94. 384-387 (1990)
• [Publications] Yuriko KanoーMurakami: "Sequenceーspecific interactions of a maize factor with a GCーrich repeat in the phosphoenolpyruvate carboxylase gene." Mol.Gen.Genet.225. 203-208 (1991)
• [Publications] 谷口 光隆: "C_4光合成細胞の機能分化ならびに環境への適応" 植物細胞工学. 4. 5-13 (1992)
• [Publications] Bambang Sugiharto: "Effects of nitrate and ammonium on gene expression of phosphoenolpyruvate carboxylase and nitrogen metabolism in maize leaf tissue during recovery from nitrogen stress." Plant Physiology.
• [Publications] Bambang Sugiharto: "Cytokinin is required to induce the nitrogenーdependent accumulation of mRNAs for phosphoenolpyruvate carboxylase and carbonic anhydrase in detached maize leaf." Plant Physiology.
• [Publications] Bambang Sugiharto: "Glutamine induces the Nーdependent expression of phosphoenolpyruvate carboxylase and carbonic anhydrase genes in detached maize leaf tissue." Plant Physiology.
• [Publications] 杉山 達夫(旭正編): "岩波講座ー分子生物科学12:植物の機能" 岩波書店, 30 (1991)