Integrated analysis of mineral transport system in crops

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H06296
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 馬 建鋒 岡山大学, 資源植物科学研究所, 教授 (80260389)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山地 直樹 岡山大学, 資源植物科学研究所, 准教授 (00444646) ; 宮地 孝明 岡山大学, 自然生命科学研究支援センター, 研究教授 (40550314) ; 三谷 奈見季 岡山大学, 資源植物科学研究所, 准教授 (40581020) ; 横正 健剛 岡山大学, 資源植物科学研究所, 助教 (50790622) ; 菅 倫寛 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 准教授 (60634920) ; 櫻井 玄 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 農業環境変動研究センター, 主任研究員 (70452737)
• Project Period (FY): 2016-04-26 – 2021-03-31
• Keywords: イネ / 輸送体 / ミネラル / 結晶構造 / モデリング / ソバ

Outline of Annual Research Achievements

独自な膜小胞アッセイ法を用いて、幾つかミネラル輸送体の輸送基質を同定した。イネのアルミニウム耐性に関わる転写因子ART2を同定した。ART2を破壊すると、イネのアルミニウム耐性が低下したが、そのアルミニウム耐性への寄与はART１ほど大きくなかった。またART2はART1による制御を受けず、下流に異なる遺伝子を制御していた。オオムギのアルミニウム耐性遺伝子HvAACT1の発現制御機構を調べたところ、上流に少なくとも15.5kbの挿入が関与していることが分かった。またこの挿入の脱メチル化が遺伝子発現の向上に関与することを突き止めた。さらにアルミニウム耐性遺伝子OsFRDL4の発現制御に転写因子WRKY 22が関与することを突き止めた。
輸送体遺伝子OsNIP1;1とOsNIP3;3をイネに過剰発現させると、イネのヒ素集積が大幅に低下した。また節で発現するABCC1遺伝子を特異的なプロモーター制御下に発現させると、種子中のヒ素濃度が有意に減少した。
ソバからアルミニウム耐性に関わる輸送体遺伝子FeSTAR1とFeSTAR2を同定した。両遺伝によってコードされたタンパク質は複合体を形成し、ABC輸送体として機能することを明らかにした。
作物のミネラル輸送体（ケイ酸輸送体、カドミウム輸送体、亜鉛輸送体、アニオン性小分子輸送体）の昆虫細胞を用いた大量発現・精製・結晶化と機能解析を行った。ケイ酸輸送体は昨年度に得られた結晶の条件を改善してX線結晶構造解析により立体構造を決定できた。得られた結晶構造からケイ酸輸送に関わる構造基盤を変異導入と機能解析によって明らかにした。重原子輸送体とアニオン性小分子輸送体について結晶化に十分な量と純度の試料を得ることができた。
去年度までに完成させたミネラルの輸送に関する細胞スケールの3次元モデルと作物全体スケールのモデルを融合させ、ハイブリッドスケールモデルを開発した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の予定より多くの輸送体の同定ができた。またケイ酸輸送体の結晶化に成功し、その構造を解くことができた。

Strategy for Future Research Activity

引き続き共同研究者と有機的に連携して、植物ミネラル輸送体の同定、結晶構造解析と輸送モデルの構築を行う。

Research Products

• [Journal Article] Retrotransposon Insertion and DNA Methylation Regulate Aluminum Tolerance in European Barley Accessions (2018)
  • Author(s): Kashino-Fujii Miho、Yokosho Kengo、Yamaji Naoki、Yamane Miki、Saisho Daisuke、Sato Kazuhiro、Ma Jian Feng
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 178 Pages: 716～727
  • DOI: doi.org/10.1104/pp.18.00651
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Functional characterization of an aluminum (Al)-inducible transcription factor, ART2, revealed a different pathway for Al tolerance in rice (2018)
  • Author(s): Che Jing、Tsutsui Tomokazu、Yokosho Kengo、Yamaji Naoki、Ma Jian Feng
  • Journal Title: New Phytologist Volume: 220 Pages: 209～218
  • DOI: doi.org/10.1111/nph.15252
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Engineering rice with lower grain arsenic (2018)
  • Author(s): Deng Fenglin、Yamaji Naoki、Ma Jian Feng、Lee Sang-Kyu、Jeon Jong-Seong、Martinoia Enrico、Lee Youngsook、Song Won-Yong
  • Journal Title: Plant Biotechnology Journal Volume: 16 Pages: 1691～1699
  • DOI: doi.org/10.1111/pbi.12905
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Two Genes Encoding a Bacterial-Type ATP-Binding Cassette Transporter are Implicated in Aluminum Tolerance in Buckwheat (2018)
  • Author(s): Che Jing、Yamaji Naoki、Yokosho Kengo、Shen Ren Fang、Ma Jian Feng
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 59 Pages: 2505～2511
  • DOI: doi.org/10.1093/pcp/pcy171
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Putative Peptide Gene FEP1 Regulates Iron Deficiency Response in Arabidopsis (2018)
  • Author(s): Hirayama Takashi、Lei Gui Jie、Yamaji Naoki、Nakagawa Naoki、Ma Jian Feng
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 59 Pages: 1739～1752
  • DOI: doi.org/10.1093/pcp/pcy145
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Decreasing arsenic accumulation in rice by overexpressing OsNIP1;1 and OsNIP3;3 through disrupting arsenite radial transport in roots (2018)
  • Author(s): Sun Sheng-Kai、Chen Yi、Che Jing、Konishi Noriyuki、Tang Zhong、Miller Anthony J.、Ma Jian Feng、Zhao Fang-Jie
  • Journal Title: New Phytologist Volume: 219 Pages: 641～653
  • DOI: doi.org/10.1111/nph.15190
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A member of cation diffusion facilitator family, MTP11, is required for manganese tolerance and high fertility in rice (2018)
  • Author(s): Tsunemitsu Yuta、Genga Mayuko、Okada Tomoyuki、Yamaji Naoki、Ma Jian Feng、Miyazaki Akira、Kato Shin-ichiro、Iwasaki Kozo、Ueno Daisei
  • Journal Title: Planta Volume: 248 Pages: 231～241
  • DOI: doi.org/10.1007/s00425-018-2890-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Transcription factor WRKY22 promotes aluminum tolerance via activation of OsFRDL4 expression and enhancement of citrate secretion in rice (Oryza sativa) (2018)
  • Author(s): Li Ge Zi、Wang Zhan Qi、Yokosho Kengo、Ding Bing、Fan Wei、Gong Qiao Qiao、Li Gui Xin、Wu Yun Rong、Yang Jian Li、Ma Jian Feng、Zheng Shao Jian
  • Journal Title: New Phytologist Volume: 219 Pages: 149～162
  • DOI: doi.org/10.1111/nph.15143
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Efficient and flexible uptake system for mineral elements in plants (2018)
  • Author(s): Che Jing、Yamaji Naoki、Ma Jian Feng
  • Journal Title: New Phytologist Volume: 219 Pages: 513～517
  • DOI: doi.org/10.1111/nph.15140
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] OsYSL16 is Required for Preferential Cu Distribution to Floral Organs in Rice (2018)
  • Author(s): Zhang Chang、Lu Wenhui、Yang Yang、Shen Zhenguo、Ma Jian Feng、Zheng Luqing
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 59 Pages: 2039～2051
  • DOI: doi.org/10.1093/pcp/pcy124
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Plant nutrition for global green growth (2018)
  • Author(s): Schjoerring Jan K.、Ma Jian F.、von Wir?n Nicolaus
  • Journal Title: Physiologia Plantarum Volume: 163 Pages: 268～268
  • DOI: 10.1111/ppl.12757
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effective reduction of cadmium accumulation in rice grain by expressing OsHMA3 under the control of the OsHMA2 promoter (2018)
  • Author(s): Shao Ji Feng、Xia Jixing、Yamaji Naoki、Shen Ren Fang、Ma Jian Feng
  • Journal Title: Journal of Experimental Botany Volume: 69 Pages: 2743～2752
  • DOI: doi:10.1093/jxb/ery107
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] OsNRT2.4 encodes a dual-affinity nitrate transporter and functions in nitrate-regulated root growth and nitrate distribution in rice (2018)
  • Author(s): Wei Jia、Zheng Yi、Feng Huimin、Qu Hongye、Fan Xiaorong、Yamaji Naoki、Ma Jian Feng、xu Guohua
  • Journal Title: Journal of Experimental Botany Volume: 69 Pages: 1095～1107
  • DOI: doi.org/10.1093/jxb/erx486
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Integrated micro-scale and macro-scale modeling of silicon transportation system in rice (2019)
  • Author(s): Gen Sakurai, Naoki Yamaji, Namiki Mitani-Ueno, Masayuki Yokozawa, Keisuke Ono, Jian Feng Ma.
  • Organizer: 植物生理学会
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Structure of a silicon transporter in plant (2019)
  • Author(s): Yasunori Saitoh, Kengo Matsuki, Shin-ichiro Yonekura, Lingli Yang, Namiki Mitani, Naoki Yamaji, Jian-Ren Shen, Jian Feng Ma and Michi Suga
  • Organizer: 植物生理学会
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Control of node-based mineral element distribution for better and safe crop production (2018)
  • Author(s): Ma, J. F.
  • Organizer: Emerging Technologies for Global Food Security Conference 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Regulation of aluminum tolerance in barley. (2018)
  • Author(s): (2)Ma, J. F., Fujii-Kashino, M., Yamaji, N., Yamane, M., Saisho, D. and Sato, K.
  • Organizer: 10th International Symposium on Plant-Soil Interactions at Low pH
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Reducing accumulation of toxic metal and metalloid in rice grain (2018)
  • Author(s): Ma, J. F., Song, W. Y., Zhao, F., Shao, J. F. and Yamaji, N.
  • Organizer: 16th International Symposium on Rice Functional Genomics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Plant nutrition for human health (2018)
  • Author(s): Ma, J. F.
  • Organizer: Agricultural Bioscience International Conference 2018, Technology for Better Life
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] レーザーアブレーションICP-MSを用いたイネ節の維管束間輸送過程の解析 (2018)
  • Author(s): 山地直樹・馬 建鋒
  • Organizer: 日本土壌肥料学会2018年度神奈川大会
• [Presentation] イネのART1と相互作用するタンパク質OsBBPIsの機能解析 (2018)
  • Author(s): 横正健剛・陳 志長・山地直樹・馬 建鋒
  • Organizer: 日本土壌肥料学会2018年度神奈川大会
• [Remarks]
  • URL: http://www.rib.okayama-u.ac.jp/plant.stress/index-j.html