2016 Fiscal Year Annual Research Report
イネの生産性を規定する分げつ成長の窒素代謝を介した分子統御機構の解明
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16J01799
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
大橋 美和 東北大学, 農学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | イネ / 分げつ / 逆遺伝学 / グルタミン合成酵素 / 植物ホルモン / トランスオミクス / 腋芽 / 窒素代謝 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
イネの分げつ数はコメの収量を規定する一因である。本研究では、腋芽の伸長抑制により分げつ数が減少する、サイトゾル型グルタミン合成酵素1;2欠損変異体(gs1;2)を用いた逆遺伝学的解析により、分げつ発達と窒素代謝の関連性及びその分子統御機構の解明を目指している。
まず、トランスオミクス解析により、gs1;2幼植物地上部基部での転写・代謝産物及び植物ホルモンの変動を網羅的に解析した。結果、GS1;2欠損が、代謝を大きく変化させ、また、腋芽の発達を促進する植物ホルモンであるサイトカイニンの前駆体型[N6-(Δ2-isopentenyl)adenine riboside (iPR), trans-zeatin riboside (tZR), tZR 5’-phosphate (tZRP)]量を減少させることを明らかにした。
今年度は、gs1;2地上部基部のサイトカイニン前駆体量の減少にとくに着目して解析した。adenosine phosphate-isopentenyltransferase (IPT)は、サイトカイニン新規合成系の初発反応を担う。gs1;2地上部基部では、グルタミン量が顕著に減少し、かつ、腋芽への代謝産物の転流に寄与する節網維管束の篩部伴細胞で、グルタミン応答性であるIPT4の発現量が減少した。さらに、gs1;2の腋芽分裂組織では、活性型サイトカイニン誘導性type-A response regulator遺伝子の発現が顕著に減少し、活性型サイトカイニン量の減少が示唆された。また、各種サイトカイニン添加が、gs1;2の腋芽伸長を部分的に回復させた。
以上より、GS1;2欠損によるグルタミン量またはその代謝産物量の減少を介したサイトカインの新規合成低下が、腋芽の伸長抑制の一因であることを明らかにし、この成果をPlant and Cell Physiology誌で公表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究では、腋芽の伸長抑制により分げつ数が減少する変異体イネ(サイトゾル型グルタミン合成酵素1;2欠損変異体)を用いた逆遺伝学的解析により、イネの分げつ発達を制御する2つの内的要因（植物ホルモンと代謝産物の利用効率）に対する窒素代謝の関連性と分子統御機構の解明を目指している。そこで、申請時点において、1. トランスオミクス解析(メタボローム及びホルモノーム)を行い、GS1;2欠損変異体イネの腋芽または分げつの成長抑制において、直接的に影響を及ぼす代謝産物の特定と植物ホルモンが関わる可能性の検討、及び、2. サイトカイニンが関与する可能性の検討をし、イネにおける窒素代謝の統御する分げつ成長の分子機構をモデル化することを計画していた。当初の計画通り、トランスオミクス解析をし、サイトカイニンに関する解析を行うなど、今年度は着実に研究を進めることができた。さらに、GS1;2欠損変異体イネの腋芽伸長抑制へのサイトカイニンの関与を研究仮説として立てていたが、その仮説を実証することができ、この成果を国際学術誌Plant and Cell Physiologyで公表できた。
以上のことから、本年度は、当初の計画以上に研究を進展させることができたと考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、腋芽の伸長抑制により分げつ数が減少する変異体イネ(サイトゾル型グルタミン合成酵素1;2欠損変異体)を用いた逆遺伝学的解析により、イネの分げつ発達を制御する2つの内的要因（植物ホルモンと代謝産物の利用効率）に対する窒素代謝の関連性と分子統御機構の解明を目指している。本年度の研究により、GS1;2欠損によるグルタミン量またはその代謝産物量の減少によるサイトカインの新規合成の低下が、腋芽の伸長抑制の一因であると明らかにした。しかし、サイトカイニンだけではGS1;2欠損変異体イネの腋芽伸長抑制が説明しきれないことから、他の要因の関与が示唆された。
そこで今後は、トランスオミクス解析によって、GS1;2欠損変異体イネの腋芽伸長抑制に関与すると予想された因子に着目して、解析を行う。具体的には、GS1;2欠損変異体イネ地上部基部において、転流窒素の輸送形態であるアスパラギンや光合成産物かつ転流炭素の輸送形態であるスクロースの含量の減少が明らかになっていることから、GS1;2欠損によって、アスパラギンやスクロースが減少する分子機構を明らかにし、それら代謝産物の変化とGS1;2欠損変異体イネの腋芽伸長抑制の関連性の解析を行う。
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[Presentation] SEVERE REDUCTION IN THE AXILLARY BUD OUTGROWTH VIA METABOLIC DISORDER IN SEEDLINGS OF THE RICE MUTANT LACKING CYTOSOLIC GLUTAMINE SYNTHETASE1;22016
Author(s)
Miwa Ohashi, Keiki Ishiyama, Miyako Kusano, Atsushi Fukushima, Soichi Kojima, Atsushi Hanada, Toshihiko Hayakawa, Yoshiya Seto, Junko Kyozuka, Shinjiro Yamaguchi, Tomoyuki Yamaya
Organizer
The nitrogen nutrition of plants - Nitrogen2016
Place of Presentation
Montpellier (France)
Year and Date
2016-08-24 – 2016-08-24
Int'l Joint Research
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