Studies on cell-by-cell color variation of hydrangea

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K19216
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 吉田 久美 名古屋大学, 情報学研究科, 教授 (90210690)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2023-03-31
• Keywords: Hydrangea macrophylla / delphinidin 3-O-glcoside / neochlorogenic acid / chlorogenic acid / aluminum ion

Outline of Annual Research Achievements

アジサイの花色（実際には装飾花で、正確にはガク片）は、酸性土壌では青く、中性、アルカリ性土壌では赤くなる。しかも同じアントシアニンが全ての色を担う。酸性土壌では土中に7％程度存在するアルミニウム塩が可溶化し根から吸収されてガク片でアントシアニンのAl3+錯体が形成され青色に、一方、中性、アルカリ性土壌ではアルミニウム塩が水不溶のため吸収されず、赤色となると理解されてきた。
しかし申請者らは、紫色アジサイガク片の観察により、アジサイの色変異機構がそう単純ではないことを見いだした。紫色のアジサイガク片の細胞色は、青、紫、赤色のモザイク状である。隣り合う細胞は、遺伝的背景も環境要因もほとんど違いがないはずで、そうであれば、この細胞ごとの色変異はいかなる仕組みによるのであろうか。本研究ではこの仕組みの解明を目指した。
従来研究対象にしていた品種（鳴海青、鳴海赤）は、それぞれ、中性土壌、酸性土壌で育てると紫色になるが、赤、青までの色変化は起きない。しかし、様々な品種の調査を行ったところ、加茂荘花鳥園の育種した品種である「ごきげんよう」が同一品種で、栽培条件により青と赤の両花色を発色することがわかった。そこで、本品種を用いて、成分の予備的調査を実施中である。さらに、この品種を用いたプロトプラスト化条件を検討中である。さらに、以前の研究で取得済みのアジサイガク片のmRNAライブラリを用いたカスタムアレイのデータ再解析し、
アントシアニン生合成関連遺伝子、助色素生合成関連遺伝子、アルミニウムイオン輸送体候補遺伝子の発現の変動を調べた。当時よりも様々な遺伝子の機能解析が進んでいるため、当時機能未知であった遺伝子のかなりの部分が明らかになっていたため、本研究で発現解析を行う標的遺伝子を絞り込むことができた。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本研究申請の採択が7月であり、アジサイの開花期がほぼ終了する時期だったため、新鮮な花（ガク片）を採取することができなかった。そのため、品種「ごきげんよう」のガク片の成分分析、および、プロトプラスト化についてはいずれも予備的な条件検討に留まり、進捗は遅れている。一方、以前取得したライブラリを用いて行ったカスタムアレイの再解析を実施し、発現解析の標的遺伝子をある程度絞り込むことができた点は、計画外の進捗である。

Strategy for Future Research Activity

品種、鳴海青、鳴海赤、ごきげんよう（青）、ごきげんよう（赤）の栽培については、名古屋市内のアジサイ農家と相談して、土壌の酸性土の調整ならびに硫酸アルミニウムの噴霧の有無などの相談を行い、2022年5月開花に向けた栽培を進めている。このアジサイ材料を用いて、下記の実験を行う予定である。
（1）ガク片組織の有機成分のHPLCによる定性・定量分析、（2）ガク片組織の湿式灰化とICP発光分析による無機成分の定性・定量分析、（3）ガク片組織のプロトプラスト化条件の決定とプロトプラストの調製、（4）調整したプロトプラストを用いた成分分析、（5）ガク片の成熟に伴って発現する遺伝子の解析、
（6）ガク片が無色の段階から着色する間の組織からのmRNAの調製とRNAseqによる解析、
これらにより、まずは、品種「ごきげんよう」の青色、赤色発色機構の解明を行う。さらに、品種「鳴海青」「鳴海赤」における発色の違いをもたらす遺伝子の特定を行う。

Causes of Carryover

本研究申請の採択が7月であり、アジサイの開花期がほぼ終了する時期だったため、新鮮な花（ガク片）を採取することができなかった。そのため、品種「ごきげんよう」のガク片の成分分析、および、プロトプラスト化についてはいずれも予備的な条件検討に留まり、予定した実験を全部は実施できなかったためである。次年度に初年度の計画分も実施予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] UC Davis/MARS/The Ohio State University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: UC Davis/MARS/The Ohio State University
  • # of Other Institutions: 3
• [Int'l Joint Research] Institut Ruder Boskovic(クロアチア)
  • Country Name: CROATIA
  • Counterpart Institution: Institut Ruder Boskovic
• [Int'l Joint Research] SISSA(イタリア)
  • Country Name: ITALY
  • Counterpart Institution: SISSA
• [Int'l Joint Research] Avignon University(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: Avignon University
• [Int'l Joint Research] Free University of Lisboa(ポルトガル)
  • Country Name: PORTUGAL
  • Counterpart Institution: Free University of Lisboa
• [Journal Article] Discovery of a natural cyan blue: A unique food-sourced anthocyanin ccould replace synthetic brilliant blue (2021)
  • Author(s): Denish, P. R., Fenger, J-A., Powers, R., Sigurdson, G. T., Grisanti, L., Guggenheim, K. G., Laporte, S., Li, J., Kondo, T., Magistrato, A., Moloney, M. P., Riley, M., Rusishvili, M., Ahmadiani, N., Baroni, S., Dangles, O., Giusti, M., Collins, T. M., Didzbalis, J., Yoshida, K., Siegel, J. B., Robbins, R. J.
  • Journal Title: Sci. Advances Volume: 7 Pages: eabe7871
  • DOI: 10.1126/sciadv.abe7871
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Polyacylated anthocyanins in bluish-purple petals of Chinese bellflower, Platycodon grandiflorum. (2021)
  • Author(s): Kondo, T., Hagihara, S., Takaya, Y., Yoshida, K.
  • Journal Title: Int. J. Mol. Sci. Volume: 22 Pages: 4044
  • DOI: 10.3390/ijms22084044
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Protecting group-free method for syntehsis of N-glycosyl carbamates and an assessment of the anomeric effect of nitrogen in the cabamate group (2021)
  • Author(s): Ichikawa, Y., Kaneko, D., Saeki, N., Minami, T., Masuda, T., Yoshida, K., Kondo, T., Ochi, R.
  • Journal Title: Carbohydr. Res. Volume: 505 Pages: 108280
  • DOI: 10.1016/j.carres.2021.108280
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] アジサイ由来のアルミニウムストレス耐性に関与する膜タンパク質の三次元結晶化 (2021)
  • Author(s): 伊藤誉明、中林由香里、入江克雅、大嶋篤典、藤吉好則、吉田久美
  • Journal Title: pring-8/SACLA 利用研究成果集 Volume: 9 Pages: 380-382
  • DOI: 10.18957/rr.9.6.380
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] アジサイの花色の謎を解く-ようやく明らかになった青色色素の構造と色の変わるしくみ (2021)
  • Author(s): 吉田久美
  • Journal Title: 化学 Volume: 76 Pages: 23-28
• [Journal Article] フラボノイド系植物色素の化 ー学最近の話題を中心にー (2021)
  • Author(s): 吉田久美
  • Journal Title: 色材誌 Volume: 94 Pages: 263-269
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 様々な品種のアズキ種皮に含まれる色素の分析 (2022)
  • Author(s): 吉田久美、高山陽子、浅野友世、萩原星児
  • Organizer: 日本農芸化学会2022年度大会
• [Presentation] ツルマメの登熟過程における種皮成分の変化の分析 (2022)
  • Author(s): 仁瓶栞里、杉田千恵子、吉野奈津子、近藤忠雄、吉田久美
  • Organizer: 日本農芸化学会2022年度大会
• [Presentation] 外部標準法定量NMR（EC-qNMR）によるアントシアニン市販試薬の純度測定 (2022)
  • Author(s): 西﨑雄三、建部千絵、吉田久美、杉本直樹、佐藤恭
  • Organizer: 日本農芸化学会2022年度大会
• [Presentation] A new biosynthetic intermediate of cyanidin 3-O-glucoside in black soybean seed coat (2021)
  • Author(s): Kumi Yoshida, Yada Teppabut, Reo Sawaguchi, Kin-ichi Oyama, Tadao Kondo
  • Organizer: XXXth International Conference on Polyphenols
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] アントシアニンを用いた食品着色料の可能性 (2021)
  • Author(s): 吉田久美
  • Organizer: ifia JAPAN2021 (第26回国際食品素材/添加物展・会議)／HFE JAPAN2021(第19回ヘルスフードエキスポ)
  • Invited
• [Presentation] アントシアニンを用いた青色着色料の可能性 (2021)
  • Author(s): 吉田久美
  • Organizer: 愛知県立明和高等学校SSH理科特別講座
  • Invited
• [Presentation] フラボノイド系色素の化学と生物学 (2021)
  • Author(s): 吉田久美
  • Organizer: 理化学研究所 環境資源科学研究センター－千葉大学植物分子科学研究センター植物科学ジョイントセミナー
  • Invited
• [Presentation] 黒ダイズ種皮におけるシアニジン 3-O -グルコシドの新規生合成経路 (2021)
  • Author(s): 澤口 玲央、古川 楓、和氣 駿之、テッパブット ヤダー、中根 悠輔、林 英美、尾山 公一、杉田 千恵子、近藤 忠雄、中山 亨、吉田 久美
  • Organizer: 第63回天然有機化合物討論会
• [Remarks] Yoshida Laboratory
  • URL: http://www.info.human.nagoya-u.ac.jp/lab/yoshida/index.html