2020 Fiscal Year Annual Research Report
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19K16056
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
齊藤 恭紀 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特任助教 (10808786)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 穀物 / 膜タンパク質 / チャネル / ケイ酸 / アクアポリン / X線結晶構造解析 / ストレス耐性 / 基質選択性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ケイ素は土壌中に多く含まれる元素で、イネやトウモロコシ、コムギ、オオムギ、サトウキビ等の重要な穀物の生育や生産性に大きく影響する。穀物はケイ素を土壌中から取り込むことで、生物的・非生物的ストレスに対して耐性を獲得しているので、ケイ素を取り込む仕組みの理解は穀物の頑健性や生産性の向上に大きく寄与できる。穀物のケイ素取り込みは、根に発現しているケイ酸チャネルが土壌中のケイ酸を取り込むことから始まる。ケイ酸チャネルはケイ酸以外にも化学的構造がよく似た有害な亜ヒ酸を透過し、より大きなグリセロール分子を透過しないことが報告されており、そのユニークな基質選択性の機構は不明であった。本研究ではケイ酸チャネルの基質選択機構の原子基盤をX線結晶構造解析により明らかにすることを目的とした。
最終年度ではケイ酸チャネルの結晶の質を大きく向上させ、1.8 Å分解能で構造決定した。ケイ酸チャネルの高分解能構造を精査し、チャネル内の特殊な水分子が基質の選択性に重要な役割を果たしている可能性を見出した。ケイ酸チャネル変異体の基質透過能の解析や分子動力学シミュレーションを行って、チャネル内の特殊な水分子がケイ酸チャネルの基質選択性に重要であることを明らかにした。
研究期間全体を通じた研究成果は、原子分解能で穀物由来のケイ酸チャネルの構造を解明し、そのユニークな基質透過経路を詳細に明らかにして、ケイ酸チャネル変異体の機能解析と分子動力学シミュレーションの結果を組み合わせることで、穀物のケイ酸チャネルの基質選択性の機構を明らかにしたことである。本研究課題の成果は植物のケイ素取り込み機構を詳細に理解するための重要な知見である。また、有害な亜ヒ酸を取り込まず、有益なケイ酸のみを取り込む穀物を合理的に作出するための重要な基礎的知見でもあり、安全で頑健な穀物を作り出すことに役立てられることが期待される。
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