低温適応と低温耐性の分子機構

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 08102011
• Research Institution: Okazaki National Research Institutes
• Principal Investigator: 村田 紀夫 岡崎国立共同研究機構, 基礎生物学研究所, 教授 (90011569)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 鈴木 石根 岡崎国立共同研究機構, 基礎生物学研究所, 助手 (10290909) ; 西山 佳孝 岡崎国立共同研究機構, 基礎生物学研究所, 助手 (30281588) ; 坂本 敦 岡崎国立共同研究機構, 基礎生物学研究所, 助手 (60270477)
• Keywords: 低温適応 / 低温耐性 / 不飽和化酵素 / 不飽和膜脂質 / ベタイン / 低温シグナル / 低温センサー / ゲノミックス

Research Abstract

(1)低温と凍結に対する不飽和膜脂質の保護効果の研究:
膜脂質の不飽和結合数が段階的に異なる複数の遺伝子改変ラン藻を用いて、低温下における強光傷害からの不飽和膜脂質による保護効果の本質は、低温強光阻害からの回復プロセスを促進することにあること、またその保護効果の作用部位は光化学系II複合体のD1タンパク質の新規合成とプロセシングであることを明らかにした。さらに膜脂質の不飽和化は耐塩性にも深く関与していることを明らかにした。
(2)低温と凍結に対するベタインの保護効果の研究:
これまでに適合溶質ベタインの生合性能を付与する遺伝子操作が、植物(Arabidopsis)の低温耐性や凍結耐性にのみならず多様な環境ストレスに対する耐性の増強をもたらすこと、また遺伝子改変植物において増強されたストレス耐性は、その全生活環で獲得されていることを明らかにしてきた。さらに最新の知見として、ベタインを蓄積する遺伝子改変Arabidopsisが発芽期において浸透圧ストレスに対する耐性を、また生殖期(花芽形成期および種子形成期)において乾燥ストレスに対する耐性を強化していることを明らかにした。ベタインによるストレス耐性増強の分子機構としてタンパク質の高次構造および膜構造の安定化とタンパク質の新規合成の促進を考えている。
(3)新しい低温適応因子の研究:
不飽和化酵素の遺伝子破壊により低温依存性の膜脂質の不飽和化機能を失ったラン藻の変異株を用いて新規の低温適応因子を検察すべく研究を進めている。
(4)低温センターと低温シグナル伝達系の研究:
ランダムおよび部位特異的遺伝子破壊の手法を用いて、ラン藻Synechocystisにおいては2種類のセンサーと1種類のシグナル伝達中間体が低温検知・低温シグナル伝達機構を構成する主成分であることを明らかにした。また低温以外のストレス(塩や浸透圧、リン酸欠乏)の検知に機能するセンサーも同定した。さらにDNAミクロアレイ技術を用いて低温センサーが特定の低温誘導性遺伝子の発現のみならず、転写・翻訳装置の構成成分をコードする遺伝子群の発現をも制御している事実を明らかにした。

Research Products

• [Publications] Alia et al.: "Enhanced tolerance to light stress in transgenic Arabidopsis plants that express the codA gene for a bacterial choline oxidase"Plant Molecular Biology. 40. 279-288 (1999)
• [Publications] Allakhverdiev et al.: "Genetic engineering of the unsaturation of fatty acids in membrane lipids alters the tolerance of Synechocystis to salt stress"Proceedings of the National Academy of Sciences, USA. 96. 5862-5867 (1999)
• [Publications] Allakhverdiev et al.: "Reconstruction of the water-oxidizing complex in manganese-depleted photosystem II preparations using monomuclear manganese complexes"Photochemistry and Photobiology. 70. 57-63 (1999)
• [Publications] Allakhverdiev et al.: "Inactivation of photosystems I and II in response to osmotic stress in Synechococcus. Contribution of water channels"Plant Physiology. (in press). (2000)
• [Publications] Bissati et al.: "Photosystem II fluorescence quenching in the cyanobacterium Synechocystis PCC 6803. Involvement of two different mechanisms"Biochimica et Biophysica Acta. (in press). (2000)
• [Publications] Hirani et al.: "Characterization of a two-component signal transduction system involved in the induction of alkaline phosphatase under phosphate-limiting conditions in Synechocystis sp. PCC 6803"Plant Molecular Biology. (in press). (2000)
• [Publications] Low & Murata: "Responses to cold-shock in cyanobacteria"Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology. (in press). (2000)
• [Publications] Malakhov et al.: "Balanced regulation of expression of the gene for cytochrome C_M and that of gene for plastocyanin and cytochrome C_6 in Synechocystis"FEBS Letters. 444. 281-284 (1999)
• [Publications] Nishiyama et al.: "PsbU, a protein associated with photosystem II, is required for the acquisition of cellular thermotolerance in Synechococcus species PCC 7002"Plant Physiology. 120. 301-308 (1999)
• [Publications] Papageorgiou et al.: "Light-induced and osmotically-induced changes in chlorophyll a fluorescence in two Synechocystis sp. PCC 6803 strains that differ in membrane lipid unsaturation"Photosynthesis Research. 59. 125-136 (1999)
• [Publications] Pardha Saradhi et al.: "Protection against photo-induced inactivation of the photosystem II complex by abscisic acid"Plant, Cell and Environment. (in press). (2000)
• [Publications] Sakamoto & Murata: "Genetic engineering of glycinebetaine synthesis in plants: current status and implication for enhancement of stress tolerance"Journal of Experimental Botany. 51. 81-88 (2000)