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2023 Fiscal Year Annual Research Report

Elucidation of mechanisms of immediate early responses to wounding that trigger regeneration in plants

Research Project

Project/Area Number 23H02505
Allocation TypeSingle-year Grants
Research InstitutionTokyo University of Science

Principal Investigator

西浜 竜一  東京理科大学, 創域理工学部生命生物科学科, 教授 (70283455)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 朽津 和幸  東京理科大学, 創域理工学部生命生物科学科, 教授 (50211884)
松井 健二  山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (90199729)
Project Period (FY) 2023-04-01 – 2026-03-31
Keywordsゼニゴケ / 傷シグナル / 再生 / オキシリピン / ROS/カルシウム / MAPキナーゼ
Outline of Annual Research Achievements

植物は傷害を受けると容易に分化細胞が脱分化し、器官や植物体を再生する。しかし、傷シグナルが再生を誘導する極初期の応答機構については、まだ十分に理解されていない。一方、傷害はカルシウムイオン(Ca2+)や活性酸素種(ROS)を介してジャスモン酸などのオキシリピン化合物の生合成を誘導し、全身的な防御応答を引き起こすことが知られている。また被子植物では傷害に応答して素早くMAPキナーゼの活性化が起こることが知られている。本研究では、ゼニゴケを用いて、オキシリピンの生合成や再生を促進する遺伝子の発現を引き起こす、極初期の傷シグナルに対する応答の仕組みを、防御応答の仕組みとの関連に着目して明らかにすることを目的としている。
今年度は、ゼニゴケ葉状体の傷害に応答して素早くMAPキナーゼの活性化が起こることを見出した。またMAPキナーゼの変異体において、細胞周期再開の遅延や再生極性の乱れがみられることを明らかにした。
また、傷害刺激により、Ca2+の細胞質への流入が引き起こされ、それが刺激部位から離れた部位に高速に(1-2 mm/s)伝播することを発見した。このCa2+伝播は、Ca2+チャネルの一つであるGLRに依存することも明らかにした。さらに、ROS生成酵素Rbohのリン酸化がCa2+との親和性を上昇されることで、RbohのもつNADPH oxidase活性を促進することを明らかにした。これらについて、論文として報告した。
加えて、ゼニゴケにおいて傷害により合成が誘導されることが知られているオキシリピンであるオキソフィトジエン酸 (OPDA) 類の定量系を確立した。これを用いて、葉状体切断部位でOPDA類の顕著な増加が起こることを確認した。また葉状体の頂端基部軸方向に沿って、OPDA類増加に極性が見られることがわかった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今年度は、ゼニゴケ葉状体切断の刺激に応答して5分以内に、MAPキナーゼがリン酸化を受け活性化されることを見出した。ゼニゴケは3分子種のMAPキナーゼをもつ。現在のところ、分子量からはMpMPK1とMpMPK2のどちらかは明確には特定できていない。これらの遺伝子について変異体を作出し、再生に及ぼす影響を解析した。Mpmpk2変異体の再生は野生型株と大きな違いは見られなかった一方、Mpmpk1変異体では再生に先立って起こる細胞周期再開が遅延したことに加え、再生の極性が乱れることがわかった。この発見は、植物においてMAPキナーゼが再生に関与することを示した初めての例である。
GCaMP6f-mCherry発現株を用いて、維管束をもたないコケ植物においても維管束植物と同等の1-2 mm/sの速度でCa2+伝播が起こることを示した。維管束に基づいた高速伝播モデルも提唱されているが、本発見は伝播機構の議論に一石を投じるものとなった。
ゼニゴケ特有のオキソフィトジエン酸 (OPDA) 類としてdinor-trans-OPDA, dinor-cis-OPDA, dinor-iso-OPDAをそれぞれ入手し、LC-MSによりそれぞれを区別して定量する分析系を確立した。葉状体切断部位でOPDA類の顕著な増加が認められた。切断部位より基部ではOPDA類の増加が認められたが切断部位より頂端側ではOPDA類の顕著な増加は認めれらなかった。このことは、OPDA類の合成部位に関して葉状体の頂端基部軸に沿った極性があることに加え、OPDA類そのもの、またはその合成を促進するシグナルが切断部位から遠位に伝播していることを示唆している。
以上のように、実験計画に沿った研究成果が得られており、研究はおおむね順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

抗リン酸化MAPK抗体を用いたウエスタンブロット解析により見出された傷害誘導性MAPキナーゼ活性化について、ゼニゴケがもつ3分子種のMAPキナーゼのうちどれにあたるかを特定する。また、その活性制御におけるオーキシン、カルシウム、ROSの役割を、オーキシン極性輸送阻害剤、カルシウムキレーター、ROS消去剤などを用いて明らかにする。
ゼニゴケ葉状体を切断後、分オーダーの時系列を追ってリン酸化プロテオーム解析を行い、傷害ストレス依存的にリン酸化変動を受けるタンパク質を同定する。統計的に有意な変動を示すリン酸化ペプチドを特定し、それらの遺伝子のゲノム編集株を作出して機能解析を行う。
ゼニゴケの2つのROS生成酵素遺伝子(MpRbohA, B)の条件的ノックアウト株を作出し、OPDA類生合成、MAPキナーゼ活性化、細胞リプログラミング頻度への影響を調べる。また、傷誘導性の傷シグナル受容体候補遺伝子、カルシウム依存性キナーゼ遺伝子、OPDA類合成に関わる(と推測される)AOSやリポキシゲナーゼの遺伝子、などのゲノム編集株の作出と表現型解析を、前年度から継続して進める。
基部遠位でのOPDA類の蓄積機構を明らかにする。切断部より輸送されたのか、切断部からの何らかのシグナルによって基部でのOPDA生合成が誘導されたのかを明らかにする。輸送を検証するために同位体標識OPDAを調製する。また基部遠位での合成誘導を見るために切断部位から1-2 mm程度の連続切片を切り出し、RT-PCRによりOPDA生合成酵素遺伝子発現レベルを明らかにする。さらに、オーキシン極性輸送阻害剤、カルシウムキレーター、ROS消去剤などでの処理がOPDA類の基部遠位での蓄積にどのような影響を与えるか、明らかにする。

  • Research Products

    (47 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (5 results) Journal Article (14 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Peer Reviewed: 14 results,  Open Access: 13 results) Presentation (26 results) (of which Int'l Joint Research: 14 results,  Invited: 10 results) Remarks (2 results)

  • [Int'l Joint Research] Max Planck Institute/ビュルツブルク大学(ドイツ)

    • Country Name
      GERMANY
    • Counterpart Institution
      Max Planck Institute/ビュルツブルク大学
  • [Int'l Joint Research] Monash University(オーストラリア)

    • Country Name
      AUSTRALIA
    • Counterpart Institution
      Monash University
  • [Int'l Joint Research] マリー・キュリー・スクウォドフスカ大学(ポーランド)

    • Country Name
      POLAND
    • Counterpart Institution
      マリー・キュリー・スクウォドフスカ大学
  • [Int'l Joint Research] Chiang Mai University(タイ)

    • Country Name
      THAILAND
    • Counterpart Institution
      Chiang Mai University
  • [Int'l Joint Research] University of Tennessee(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      University of Tennessee
  • [Journal Article] Light-induced stomatal opening requires phosphorylation of the C-terminal autoinhibitory domain of plasma membrane H+-ATPase2024

    • Author(s)
      Fuji, S., Yamauchi, S., Sugiyama, N., Kohchi, T., Nishihama, R., Shimazaki, K. Takemiya, A.
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 15 Pages: 1195

    • DOI

      10.1038/s41467-024-45236-9

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] RAF-like protein kinases mediate a deeply conserved, rapid auxin response2024

    • Author(s)
      Kuhn, A., Roosjen, M., Mutte, S., Dubey, S.M., Carrillo Carrasco, V.P., Boeren, S., Monzer, A., Koehorst, J., Kohchi, T., Nishihama, R., Fendrych, M., Sprakel, J., Friml, J., Weijers, D.
    • Journal Title

      Cell

      Volume: 187 Pages: 130~148.e17

    • DOI

      10.1016/j.cell.2023.11.021

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Hormonal and genetic control of pluripotency in bryophyte model systems2024

    • Author(s)
      Flores-Sandoval, E., Nishihama, R., Bowman, J.L.
    • Journal Title

      Current Opinion in Plant Biology

      Volume: 77 Pages: 102486~102486

    • DOI

      10.1016/j.pbi.2023.102486

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Roadmap for the next decade of plant programmed cell death research2024

    • Author(s)
      Kacprzyk Joanna, 他11名, Kazuyuki Kuchitsu, Moritz K. Nowack, Hilary J. Rogers, Frank Van Breusegem, Arunika H. L. A. N. Gunawardena, Paul F. McCabe
    • Journal Title

      New Phytologist

      Volume: 242 Pages: 1865~1875

    • DOI

      10.1111/nph.19709

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Growth control of Marchantia polymorpha gemmae using nonthermal plasma irradiation2024

    • Author(s)
      Tsuboyama Shoko、Okumura Takamasa、Attri Pankaj、Koga Kazunori、Shiratani Masaharu、Kuchitsu Kazuyuki
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 14 Pages: 3172

    • DOI

      10.1038/s41598-024-53104-1

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Rapid Propagation of Ca2+ Waves and Electrical Signals in the Liverwort <i>Marchantia polymorpha</i>2024

    • Author(s)
      Watanabe Kenshiro、Hashimoto Kenji、Hasegawa Kota、Shindo Hiroki、Tsuruda Yushin、Kupisz Kamila、Koselski Mateusz、Wasko Piotr、Trebacz Kazimierz、Kuchitsu Kazuyuki
    • Journal Title

      Plant and Cell Physiology

      Volume: 65 Pages: pcad159

    • DOI

      10.1093/pcp/pcad159

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] LysM-mediated signaling in Marchantia polymorpha highlights the conservation of pattern-triggered immunity in land plants2023

    • Author(s)
      Yotsui, I., Matsui, H., Miyauchi, S., Iwakawa, H., Melkonian, K., Schluter, T., Michavila, S., Kanazawa, T., Nomura, Y., Stolze, S.C., Jeon, H.W., Yan, Y., Harzen, A., Sugano, S.S., Shirakawa, M., Nishihama, R., Ichihashi, Y., Ibanez, S.G., Shirasu, K., Ueda, T., Kohchi, T., Nakagami, H.
    • Journal Title

      Current Biology

      Volume: 33 Pages: 3732~3746.e8

    • DOI

      10.1016/j.cub.2023.07.068

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Enhanced Ca2+ binding to EF‐hands through phosphorylation of conserved serine residues activates MpRBOHB and chitin‐triggered ROS production2023

    • Author(s)
      Hashimoto Takafumi、Hashimoto Kenji、Shindo Hiroki、Tsuboyama Shoko、Miyakawa Takuya、Tanokura Masaru、Kuchitsu Kazuyuki
    • Journal Title

      Physiologia Plantarum

      Volume: 175 Pages: e14101

    • DOI

      10.1111/ppl.14101

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Novel in silico screening system for plant defense activators using deep learning-based prediction of reactive oxygen species accumulation2023

    • Author(s)
      Kogoshi Masayuki、Nishio Daiki、Kitahata Nobutaka、Ohwada Hayato、Kuchitsu Kazuyuki、Mizuno Hideyuki、Kurusu Takamitsu
    • Journal Title

      Plant Methods

      Volume: 19 Pages: 142

    • DOI

      10.1186/s13007-023-01118-7

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Green leaf volatile sensory calcium transduction in Arabidopsis2023

    • Author(s)
      Aratani Yuri、Uemura Takuya、Hagihara Takuma、Matsui Kenji、Toyota Masatsugu
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 14 Pages: 6236

    • DOI

      10.1038/s41467-023-41589-9

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Structure-activity relationship of volatile compounds that induce defense-related genes in maize seedlings2023

    • Author(s)
      Tanaka Yasuhiro、Fujita Kenya、Date Minori、Watanabe Bunta、Matsui Kenji
    • Journal Title

      Plant Signaling & Behavior

      Volume: 18 Pages: -

    • DOI

      10.1080/15592324.2023.2234115

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Identification of a tomato UDP-arabinosyltransferase for airborne volatile reception2023

    • Author(s)
      Sugimoto Koichi、Ono Eiichiro、Inaba Tamaki、Tsukahara Takehiko、Matsui Kenji、et al.
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 14 Pages: 677

    • DOI

      10.1038/s41467-023-36381-8

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Potential of endophytic Trichoderma in controlling Phytophthora leaf fall disease in rubber (Hevea brasiliensis)2023

    • Author(s)
      Sirikamonsathien Thamakorn、Kenji Matsui、Dethoup Tida
    • Journal Title

      Biological Control

      Volume: 179 Pages: 105175~105175

    • DOI

      10.1016/j.biocontrol.2023.105175

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] キノコの主要成分。マツタケオール(1-オクテン-3-オール)はどのように作られるのか?2023

    • Author(s)
      手嶋琢、松井健二
    • Journal Title

      香料

      Volume: 299 Pages: 29~39

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Analysis of regeneration control by the MAP kinase MpMPK1 in Marchantia polymorpha2024

    • Author(s)
      Rika Yanuki, Shota Yamauchi, Ryuichi Nishihama
    • Organizer
      日本植物生理学会第65回年会
  • [Presentation] 幹細胞因子MpLAXRの発現パターンから見るゼニゴケ二叉分枝の解析2024

    • Author(s)
      今井雄星, 灰庭瑛実, 岩木彩, 石田咲子, 河内孝之, 西浜竜一
    • Organizer
      日本植物生理学会第65回年会
  • [Presentation] ゼニゴケの細胞分裂・成長制御における活性酸素種の役割と、低温プラズマ照射の影響の解析2024

    • Author(s)
      坪山 祥子、朽津和幸
    • Organizer
      第2回プラズマ種子科学研究会
    • Invited
  • [Presentation] トウモロコシ実生のみどりの香り受容に関する構造活性相関解析2024

    • Author(s)
      松井健二, 鷹取雄介, 田中康大, 藤田賢也, 伊達みのり, 渡辺文太
    • Organizer
      日本農芸化学会2024年度大会
  • [Presentation] 香り化合物を用いた植物の環境適応戦略2024

    • Author(s)
      松井健二
    • Organizer
      第39回 資源植物科学シンポジウム 及び 第15回 植物ストレス科学研究シンポジウム 植物科学の 基礎から応用まで
    • Invited
  • [Presentation] トマトにおける灰色かび病感染特異的揮発性化合物マーカーの探索2024

    • Author(s)
      柴﨑悠史, 松井健二
    • Organizer
      日本農芸化学会中四国支部第67会講演会
  • [Presentation] Regulatory pathway for decapitation-triggered cellular reprogramming in the liverwort Marchantia polymorpha2023

    • Author(s)
      Ryuichi Nishihama
    • Organizer
      International Plant Regeneration Workshop “Molecular Insights into Plant Regeneration: From Cells to Tissues and Beyond”
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Involvement of MAP kinase signaling in regeneration of Marchantia polymorpha2023

    • Author(s)
      Rika Yanuki, Shota Yamauchi, Ryuichi Nishihama
    • Organizer
      International Plant Regeneration Workshop “Molecular Insights into Plant Regeneration: From Cells to Tissues and Beyond”
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Analysis of the functions of the bHLH transcription factor MpLRL in apical growth and regeneration in Marchantia polymorpha2023

    • Author(s)
      Haruka Mine, Aya Iwaki, Emi Hainiwa, Shohei Yamaoka, Takayuki Kohchi, Ryuichi Nishihama
    • Organizer
      International Plant Regeneration Workshop “Molecular Insights into Plant Regeneration: From Cells to Tissues and Beyond”
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Involvement of MAP kinase signaling in regeneration of Marchantia polymorpha2023

    • Author(s)
      Rika Yanuki, Shota Yamauchi, Ryuichi Nishihama
    • Organizer
      Taiwan Japan Plant Biology 2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Establishment and maintenance of stemness by limiting auxin responsiveness in Marchantia polymorpha2023

    • Author(s)
      Yusei Imai, Emi Hainiwa, Sakiko Ishida, Aya Iwaki, Takeshi Kinami, Kohchi Takayuki, Ryuichi Nishihama
    • Organizer
      Taiwan Japan Plant Biology 2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Phosphorylation of two Thr residues in the C-terminal auto-inhibitory domain of plasma membrane H+-ATPase is crucial for light-induced stomatal opening2023

    • Author(s)
      Fuji, S., Yamauchi, S., Sugiyama, N., Kohchi, T., Nishihama, R., Shimazaki, K. Takemiya, A.
    • Organizer
      33rd International Conference on Arabidopsis Research
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 三次元頂端成長の確立とオーキシン~ゼニゴケの信号伝達経路の役割から探る~2023

    • Author(s)
      西浜竜一、鈴木秀政、河内孝之
    • Organizer
      日本植物学会第87回大会シンポジウム「植物の陸上進出の鍵となった細胞機能改変」
    • Invited
  • [Presentation] Critical Roles and molecular mechanisms of Nox/Rboh-mediated ROS production in the regulation of cell division and cell cycle progression in Marchantia polymorpha2023

    • Author(s)
      Yamashita, Y., Hashimoto, K., Nishihama, R., Kuchitsu, K.
    • Organizer
      Taiwan Japan Plant Biology 2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Reactive oxygen species produced in the apoplast by NADPH oxidases play critical roles in regulating the structure and mechanical properties of the cell wall in Marchantia polymorpha2023

    • Author(s)
      Hashimoto, K. (他3名) Kuchitsu, K.
    • Organizer
      Taiwan Japan Plant Biology 2023
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 低温プラズマによる植物の成長制御の分子メカニズム: 植物における活性酸素種の生理的役割2023

    • Author(s)
      朽津和幸
    • Organizer
      第33回日本MRS年次大会(基調講演)
    • Invited
  • [Presentation] Spontaneous spikes, fluctuation and oscillation of calcium ion concentration in plants: possible significance in morphogenesis, signal transmission and environmental adaptation.2023

    • Author(s)
      Kazuyuki Kuchitsu
    • Organizer
      Hybrid QBIC Workshop
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Linalool exposure enhanced defense against a herbivore and caused accumulation of linalyl diglycoside2023

    • Author(s)
      Ntoruru, J. M, Ohnishi, T, Matsui, K
    • Organizer
      The 9th Asian-Oceanian Symposium on Plant Lipids
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effects of disruption of ABC transporter genes on metabolites associated with oil bodies in Marchantia polymorpha L.2023

    • Author(s)
      Kawaguchi, T, Moriwaki, Y, Kanazawa, T, Matsui, K
    • Organizer
      The 9th Asian-Oceanian Symposium on Plant Lipids
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Ca2+-induced activation of lipoxygenase 2 accounts for green leaf volatile-burst in Arabidopsis leaves2023

    • Author(s)
      Nakayama, K, Tanaka, M, Mochizuki, S, Matsui, K
    • Organizer
      The 9th Asian-Oceanian Symposium on Plant Lipids
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] トウモコロシ実生はみどりの香りを少なくとも二つの独立した仕組みで受容している2023

    • Author(s)
      田中 康大, 鷹取 雄介, 伊達 みのり, 松井健二
    • Organizer
      第35 回植物脂質シンポジウム
  • [Presentation] カルシウムによるシロイヌナズナリポキシゲナーゼ2の活性化はみどりの香りバーストに関与するか?2023

    • Author(s)
      Kenji Matsui
    • Organizer
      第33回国際シロイヌナズナ会議
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 植食者に対する直接防衛、間接防衛に対するみどりの香りの機能2023

    • Author(s)
      小澤理香、松井健二
    • Organizer
      第33回国際シロイヌナズナ会議
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 植物の葉を潰すと青臭いのはどうして?2023

    • Author(s)
      松井健二
    • Organizer
      東京理科大学総合研究院生物環境イノベーション研究部門セミナー
    • Invited
  • [Presentation] ゼニゴケ油体への代謝物輸送に関わるABCトランスポーターの機能2023

    • Author(s)
      川口智子, 森脇祐太, 金澤建彦, 松井健二
    • Organizer
      日本農芸化学会中四国支部大65回講演会
  • [Presentation] みどりの香りバーストはリポキシゲナーゼのCa2+による活性化に依存する2023

    • Author(s)
      田中萌菜, 松井健二
    • Organizer
      日本農芸化学会中四国支部大65回講演会
  • [Remarks] 東京理科大学創域理工学部生命生物科学科西浜研究室

    • URL

      https://www.rs.tus.ac.jp/nishihama/

  • [Remarks] 山口大学農学部農産製造学研究室

    • URL

      https://ds.cc.yamaguchi-u.ac.jp/~matsui/member.html

URL: 

Published: 2024-12-25  

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