2021 Fiscal Year Annual Research Report
植物ホルモンの代謝系に保存された単量体⇔多量体スイッチングシステム
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20H03272
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
上口 美弥子 (田中美弥子) 名古屋大学, 生物機能開発利用研究センター, 教授 (70377795)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ジベレリン / イネOsGA2ox3 / アロステリック酵素 / ジベレリン輸送体 / X線CTスキャン / 糖応答 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでに申請者らは、植物ホルモンの一つであるジベレリン（GA)の代謝酵素イネGA2酸化酵素（OsGA2ox3) の構造解析及び分子動力学的解析（MD) シミュレーションにより、GA2ox3が可逆的にGA濃度依存的な多量体形成とそれに伴う活性増大化を引き起こし、ホルモン量を調整していることを見出した。このような調節は、古くは、モノーのアロステリック酵素として提唱されていた概念であるが、そのシステムが成長に関わる植物ホルモンの代謝系に働いていることと、その分子メカニズムを新たに提示できたことを意味する。本申請では、別の成長ホルモンであるオーキシン(IAA) の代謝酵素にも同様のアロステリック制御があることを明らかにし、植物ホルモンの代謝酵素に共通に見られる分子制御であることを明らかにした。
ついで、今まで明らかとなっていなかったイネにおけるGA輸送についてin vitro（Y2Hや発現解析）およびin planta (形質転換体イネを用いた形質調査）で検証し、糖輸送体であるSWEETタンパク質の一つであるSWEET3aがグルコースとともにGAを輸送し、イネの初期成長を促進することを明らかにし、論文としてまとめた。
輸送体の結果は、GA応答と糖代謝がイネの初期成長に置いて密接な関係にあることを示していた。しかしながら、イネ初期成長におけるGA応答の研究に関しては、これまで応答変異体の幼苗全体を用いていたために、明確な下流遺伝子の発現解析ができていなかったと考えられた。そこで、GA濃度を低く抑えたイネにGAを与えた一定時間後のイネ幼苗の第２葉鞘の分裂帯から伸長帯、伸長停止部位までの細胞の個々の細胞の大きさをX線CTスキャンを用いて調べると同時に、１mm間隔でサンプリングした第二葉鞘におけるRNAseqと糖の定量結果から、GAシグナル伝達と糖との関係について調べた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の予定であった、ジベレリンやオーキシンの代謝酵素の基質によるアロステリック効果メカニズムに関しては、構造解析および分子動力学的解析により、ほぼ解明でき、論文としても発表でき順調に進展しているといえる。
また、当初計画になかった、ジベレリンのトランスポーターも単子葉植物で初めて明らかにできた。また、この研究から糖の移動や、代謝が、イネの葉鞘伸長に対するジベレリン応答と密接に関連していることが推定された。代表者は、今まで多くのジベレリンシグナル伝達変異体の解析を通して、ジベレリンシグナル伝達メカニズムを明らかにしてきた。しかしながら、シグナル伝達の結果としての葉鞘伸長メカニズムまで理解することはできていなかった。今回の結果から、糖代謝の解析がジベレリン応答と細胞伸長を結びつけることができると予想した。また、共同研究により始めたX線CTスキャンがイネ葉鞘において、細胞レベルの解析に適していることが明らかとなり、これを用いた解析を始めている。
また、ジベレリン生合成酵素であるイネGA3ox1がイネの花粉の中で、gametophyticに発現し、大量のGA7およびGA4を合成していることを明らかにし、これらが、イネの花粉稔性に重要な機能を持つこと、このGA3ox1の反応特異性は、イネの進化の中で野生イネから徐々に獲得したものであることもX線結晶構造解析から明らかにした。これらについても、Communication Biologyに発表することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度である本年度においては、ジベレリン、イネ葉鞘伸長、糖の関係を明らかにすることに集中する。ジベレリン生合成酵素欠損変異体イネである短銀坊主に、さらにジベレリン生合成阻害剤であるウニコナゾールを与えた矮性の幼苗にジベレリンを与えて24時間後の第二葉鞘を資料とした。この第二葉鞘の付け根から葉身に変わる部位までをX線CTスキャンにより観察したところ、下から1-2mmほどの領域は細胞列が乱れた小さな細胞で満たされたており、3-8mmほどの領域は、最大100μm程度の伸長した細胞が形成され、12-15mmの領域には、すこし小さな細胞が並んでいた。また、それぞれの領域におけるRNAseqの結果は、それぞれ細胞分裂に関連する遺伝子、細胞壁合成に関連する遺伝子、２次細胞壁合成に関する遺伝子群が位置しており、強いジベレリン応答性を示していた。このことから、ジベレリンは、細胞分裂と細胞伸長の両方を制御していることを示していると考えられた。さらに、興味深いことに、分裂帯においては、ジベレリンシグナル伝達の抑制因子として知られているSLR1の転写が強く促進され、そのことにより分裂帯において、分解されつつ新生されるため多量にSLR1タンパク質が存在していた。すなわち、分裂帯におけるジベレリン応答には、SLR1タンパク質の存在が必要であり、伸長帯におけるジベレリン応答には、SLR1タンパク質は、必要ではないのではないかと予想した。このことから、SLR1の欠損変異体では、ジベレリンによる細胞分裂が十分できず、細胞伸長のみが行われるのではないかと考え、slr1変異体のX-CTスキャンによる細胞の観察を行うこととした。さらに、細胞分裂と細胞伸長をつなぐ遺伝子発現ネットワークを構築し、イネ葉鞘伸長の全体像を理解する。
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Research Products
(7 results)
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[Presentation] Evolutionary analyses of gene expression and enzymatic activities of gibberellin 3-oxidase 1 in Oryza2022
Author(s)
Kyosuke Kawai, Sayaka Takehara, Toru Kashio, Minami Morii, Akihiko Sugihara, Hisako Yoshimura, Aya Ito, Masako Hattori, Yosuke Toda, Mikiko Kojima, Yumiko Takebayashi, Hiroyasu Furuumi, Ken-ichi Nonomura, Bunzo Mikami, Takashi Akagi, Hitoshi Sakakibara, Hidemi Kitano, Makoto Matsuoka, Miyako Ueguchi-Tanaka
Organizer
日本農芸化学会 2021年度大会
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