植物の可塑的な生長・分化を支える分子機構

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13CE2005
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 松岡 信 名古屋大学, 生物機能開発利用研究センター, 教授 (00270992)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 前島 正義 名古屋大学, 大学院・生命農学研究科, 教授 (80181577) ; 坂神 洋次 名古屋大学, 大学院・生命農学研究科, 教授 (80107408) ; 服部 束穂 名古屋大学, 生物機能開発利用研究センター, 教授 (10164865) ; 水野 猛 名古屋大学, 大学院・生命農学研究科, 教授 (10174038) ; 魚住 信之 名古屋大学, 生物機能開発利用研究センター, 助教授 (40223515)
• Keywords: 植物分子育種 / 植物生長物質 / 物質輸送機構 / 外環境応答 / 栄養環境応答

Research Abstract

1.植物生長物質の情報伝達機構の解明とその利用
(1)ジベレリンシグナルの伝達機博に関しては順調に研究が進捗している。概にGAシグナル伝達に関わる新しい因子、SLR1、GID1、およびGID2を単離し、機能解析を進めている。特に今年度は、GID1がGAシグナルのキー因子であるSLR1タンパク質の脱アセチル化酵素として機能していることを明らかにした。この結果は、GAシグナルがタンパク質のアセチル化/脱アセチル化により制御されていることを示唆しており、他のシグナル伝達機構の共通性という点で興味深い。
(2)ペプチド性植物細胞増殖因子ファイトスルフォカイン(PSK)の受容体前駆体遺伝子をクローニングすることに成功し、それがロイシンリッチリピートを持つセリントスレオニンキナーゼであることを明らかにした。現在、PSKの植物個体における生理作用については種々試みているが、明確な答えは得られていない。オーファンレセプターCKI1に対するリガンドについては、活性区分を見出してはいるが、材料に難点がある。リンゴ矮性台木に含まれる不定根形成阻害物質については活性物質を純粋にすることに成功し、化学構造を決定できるだけの量を集めている。気孔開放物質については、基本的な生物検定法を確立した。
(3)サイトカイニンシグナル伝達系のレセプター遺伝子群について系統的な遺伝学的解析を行い、これらが正常な細胞分裂活性維持に必要とされること、さらに多重変異株の解析から、これらが胚発生から栄養成長期には必須ではないことを見出した。この結果はサイトカイニンあるいはそのレセプターに関する従来の見解に変更を迫る知見である。また植物特異的転写因子であるTCP16の解析から、この遺伝子が半数体細胞で機能し、雄性配偶体形成に必須であることを明らかにした。
2.植物における物質輸送メカニズムの解明とその利用
(1)液胞へのCa^<2+>、Cd^<2+>、Mn^<2+>等の金属イオン集積機構を解明するために、イネCa^<2+>/H^+交換輸送体の全5分子種について、一次構造とイオン輸送機能を明らかにした。その結果、Ca^<2+>のみを輸送する分子種、Mn^<2+>とCa^<2+>の両方を輸送する分子種のあることが明らかになった。さらに、機能ドメインと、それらの膜内配置も明らかにした。イネ植物体における役割解明については、変異株の作 成、検索に時間が必要であり、現在進行中である。このほか、H^+輸送性ピロホスファターゼの遺伝子欠損株の表現型解析,細胞膜と液胞膜の水チャネル各分子種の機能、発現特性の解明の大きな部分を達成した。
(2)植物のNa^<2+>トランスポーター(AtHKT1)は維管束組織で発現し、本遺伝子破壊株では、地上部のNa^<2+>が蓄積し、成長が阻害されることから、植物のNa^<2+>が耐性機構に関与していることを明らかにした。本輸送体のNa^+/K^+の選択に必須のアミノ酸を明らかにした。また、K^+チャネルとの類似性を見出した。また、植物K^+チャネルの生体膜への挿入機構を検討し、2つの膜貫通域が同時に膜に挿入される現象を見出した。
3.外環境応答メカニズムの解明とその利用
(1)シロイヌナズナの疑似レスポンスレギュレーター(APRR1/APRR3/APRR5/APRR7/APRR9)が時計関連因子であることを遺伝学的に証明することが目標であった。全ての遺伝子について欠損変異体及び過剰発現形質転換植物を作成してその時計関連表現型を解析した。その結果、概日リズムの生成、開花時期の制御、光情報伝達の三つの高次機能に関してAPRR因子群が重要な働きをしていることを示すことができた。さらにシロイヌナズナの概日リズムを再現する培養細胞系を確立することができた。この点を発展させることで他のグループとは異なる独自のアプローチが可能となった。
(2)イネのSnRK2ファミリープロテインキナーゼの全て(SAPK1〜10)が、浸透圧ストレスによって活性化されること、この活性化がリン酸化を介することを明らかにした。また、それぞれの異なる浸透圧依存性を示し、その性質の差異がC末端ドメインによるものであることを明らかにした。さらに、10個のSnRK2メンバーのうち、3個(SAPK8,9および10)はABAシグナルによっても活性化され、かつABAによる活性化を受けないメンバーとの差異もやはりC末端ドメインの構造的差異によるものであることも明らかにした。このように、当初計画のとおりの成果が達成されるとともに、当該シグナル伝達経路の全貌を明らかにするための準備および予備的知見に関しても成果が得られた。
4.栄養環境応答メカニズムの解明とその利用
(1)細胞レベルでの硝酸同化のモデル系としてヒメツリガネゴケ原糸体を用い、硝酸同化系遺伝子群の転写がアンモニアにより厳密な抑制を受けていることを明らかにした。また、硝酸イオン能動輸送体(NRT)の活性もアンモニアにより阻害されることを明らかにし、シロイヌナズナのNRTとの一次構造の比較から活性阻害に関与する部位を推定した。以上のことから、高等植物でも遺伝子発現とNRTの活性制御を操作することにより、硝酸イオンの吸収を制限できる見通しがたった。さらにヒメツリガネゴケにおいて、液胞内に一旦貯蔵した硝酸イオンの同化についてもアンモニアによる抑制が起こることを明らかにした。

Research Products

• [Publications] Takeda, T: "The OsTB1 gene negatively regulates lateral branching in rice."Plant J. 33. 513-520 (2003)
• [Publications] Sasaki, A.: "A defect in a putative F-box gene causes accumulation of the phosphorylated represser protein for GA signaling."Science. 299. 1896-1898 (2003)
• [Publications] Sakai, M.: "Expression of novel rice gibberellin 2-oxidase gene is under homeostatic regulation by biologically active gibberellins."J.Plant Res. 116. 161-164 (2003)
• [Publications] Yang, G.: "A novel brassinolide-enhanced gene identified by cDNA microarray is involved in the growth of rice."Plant Mol.Biol. 52. 843-854 (2003)
• [Publications] Kaneko, M.: "Where do gibberellin biosynthesis and gibberellin signaling occur in rice plants?"Plant J. 35. 104-115 (2003)
• [Publications] Kamiya, N.: "Isolation and characterization of a rice WUSCHEL type homeobox gene that is specifically expressed in the quiescent center of the root apical meristem."Plant J. 35. 429-441 (2003)
• [Publications] Sakamoto, T.: "Genetic manipulation of gibberellin metabolism in transgenic rice."Nature Biotech. 21. 909-913 (2003)
• [Publications] Kamiya, N: "The SCARECROW gene's role in asymmetric cell divisions in rice plants."Plant J. 36. 45-54 (2003)
• [Publications] Kamiya, N: "Rice globular embryo 4 (gle4) mutant is defective in radial pattern formation during embryogenesis."Plant Cell Physiol. 44. 875-883 (2003)
• [Publications] Hong, Z: "A rice brassinosteroid-deficient mutant, ebisu dwarf (d2),is caused by a loss-of-function of a new member of cytochrome P450."Plant Cell. 15. 2900-2910 (2003)
• [Publications] 芦苅基行: "短桿を科学する"農業技術. 58. 156-160 (2003)
• [Publications] Ashikari, M: "Mutation in a gibberellin biosynthetic gene, GA20 oxidase, contributed to the rice Green Revolution."Rice science ; Innovations and impact for livelihood. 333-343 (2003)
• [Publications] Ashikari, M: "Gibberellin signal transduction in rice."J.Plant Growth and Regul. 22. 141-151 (2003)
• [Publications] Itoh, H: "A Role for the 26S Ubiquitin-Proteasome Pathway in Gibberellin Signaling."Trend in Plant Science. 8. 492-497 (2003)
• [Publications] Gomi, K: "Gibberellin signaling pathway.Curr.Opin."Plant Biol. 6. 489-493 (2003)
• [Publications] 佐々木章江: "植物におけるジベレリンシグナル伝達はSCF複合体により制御されている"細胞工学. 22. 650-651 (2003)
• [Publications] Matsuoka, M: "Gibberellin signaling : how do plant cells respond to GA signals?"J.Plant Growth Regul. 22. 123-125 (2003)
• [Publications] 芦苅基行: "タンパク質分解を介したジベレリンの情報伝達"生化学. 75. 1453-1456 (2003)
• [Publications] Kaneko, M: "Loss-of-function mutations of the rice GAMYB gene impair the α-amylase expression in aleurone and flower development."Plant Cell. 16. 33-44 (2004)
• [Publications] Gomi, K: "GID2, an F-box subunit of the SCF E3 complex, specifically interacts with phosphorylated SLR1 protein and regulates the gibberellin dependent degradation of SLR1 in rice."Plant J. 37. 626-634 (2004)
• [Publications] Eun, C: "Phytosulfokine-α requires auxin to stimulate carrot no-embryogenic cell proliferation."Plant PhysioL Biochem. 41. 447-452 (2003)
• [Publications] Eun, C: "Phytosulfokine-α,a peptidyl plant growth factor, stimulates cell cycle progression in carrot non-embryogenic cells."Plant Biotechnol. 20. 195-205 (2003)
• [Publications] Nakamichi, N: "Cell autonomous circadian waves of the APRR1/TOC1 quintet in an establlished cell line of Arabidopsis thaliana."Plant Cell Physiol. 44. 360-365 (2003)
• [Publications] Kiba, T.: "The type-A response regulator, ARR15,acts as a negative regulator in the cytokinin-mediated signal transduction in Arabidopsis thaliana."Plant Cell Physiol. 44. 868-874 (2003)
• [Publications] Yamashino, T.: "A link between circadian-controlled bHLH factors and the APRR/TOC1 quintet in Arabidopsis thaliana."Plant Cell Physiol. 44. 619-629 (2003)
• [Publications] Mimura T.: "Rapid increase of vacuolar volume in response to salt stress."Planta. 216. 397-402 (2003)
• [Publications] Yang, S.: "Modulation of vacuolar H^+-pumps and aquaporin by phytohormones in rice seedling leaf sheaths."Biol.Pharm.Bull.. 26. 88-92 (2003)
• [Publications] Suga, S.: "An abundance of aquaporins in specific cells and osmotic water permeability of individual protoplasts of radish."Plant Cell Physiol.. 44. 277-286 (2003)
• [Publications] Hirono, M.: "Acylspermidine Derivatives Isolated from a Soft Coral Sinularia sp.Inhibits Plant Vacuolar H^+-Pyrophosphatase."J.Biochem.. 133. 811-816 (2003)
• [Publications] Kamiya, T: "Residues in internal repeats of the rice cation/H^+ exchanger are involved in the transport and selection of cations."J.Biol.Chem.. 279. 812-819 (2004)
• [Publications] Nakanishi, Y.: "Patch clamp analysis of Ht pump expressed in giant yeast vacuoles."J.Biochem. 134. 615-623 (2003)
• [Publications] Imamura, A.: "In vivo and in vitro characterization of the ARR11 response regulator implicated in the His-to-Asp phosphorelay signal transduction in Arabidopsis thaliana."Plant Cell Physiol.. 44. 122-131 (2003)
• [Publications] Hagiwara, Y.: "Subcellular localization of host and viral proteins associated with tobamovirus RNA replication."EMBO J.. 22. 344-353 (2003)
• [Publications] Sato, Y.: "Requirement of negative residues, Asp 95 and Asp 105,in S2 on channel function and membrane integration, of voltage-dependent K^+ channel, KAT1."Biosci.Biotech.Biochem.. 67. 923-926 (2003)
• [Publications] Sato, Y.: "Molecular dissection of the contribution of negatively and positively charged residues in S2,S3,and S4 to the final membrane topology of the voltage sensor in the K^+ channel, KAT1."J.Biol.Chem.. 278. 13227-13234 (2003)
• [Publications] Holtmann, G.: "KtrAB and KtrCD : two K^+ uptake systems in Bacillus subtilis and their role in the adaptation to hypertonicity."J Bacteriol. 185. 1289-1298 (2003)
• [Publications] Berthomieu, P.: "Functional analysis of AtHKT1 in Arabidopsis shows that Na^+ recirculation by the phloem is crucial for salt tolerance."EMBO J. 22. 2004-2014 (2003)
• [Publications] Kato Y: "Addition of a peptide tag at the C terminus of AtHKT1 inhibits its Na^+ transport."Biosci.Biotech.Biochem. 67. 2291-2293 (2003)
• [Publications] Umigai, N.: "Topogenesis of two transmembrane type K^+ channels, Kir 2.1 and KcsA."J.Biol.Chem.. 278. 40373-40384 (2003)