Molecular dissection of plant development and cell-to-cell signaling mediated by posttranslationally modified peptides

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25221105
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 松林 嘉克 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (00313974)
• Project Period (FY): 2013-05-31 – 2018-03-31
• Keywords: ペプチドホルモン / 翻訳後修飾 / 受容体 / 形態形成 / 環境応答

Outline of Annual Research Achievements

植物成長を制御する新しい細胞間シグナルとして，翻訳後修飾を伴った短鎖分泌型ペプチドに注目が集まっている．本研究は，翻訳後修飾ペプチドホルモンのさらなる探索や，既知因子の受容および細胞内情報伝達機構の解明を基軸としながら，翻訳後修飾のメカニズム，細胞外での分子動態などを解析し，翻訳後修飾ペプチドホルモンを介した植物形態形成や環境応答の分子機構を明らかにすることを目的としている．今年度は，ゲノム情報に基づいたペプチドホルモン候補のスクリーニングとLC-MSによる成熟型構造解析により，21アミノ酸のチロシン硫酸化ペプチドを新たに同定した．このペプチドは根の中心柱で発現し，欠損株では土壌イオン環境応答に異常が見られることが明らかになりつつある．また，ほぼ整備が完了した受容体キナーゼ発現ライブラリを用いて，茎頂メリステム形成に関わるペプチドホルモンであるCLV3がダイレクトに結合する受容体群の解析を行なった結果，従来から知られているCLV1に加えそのホモログであるBAM1に結合したが，もうひとつの受容体としてCLV3シグナリングに関与すると考えられていたCLV2には結合しないことが明らかとなった．これらの結果から，CLV1とBAM1が真のCLV3受容体であり，CLV2は間接的にCLV3シグナリングに関与する補助因子である可能性が示された（Plant J. 2015）．さらにこの受容体キナーゼ発現ライブラリを用いて，根端メリステム形成に関わるペプチドホルモンRGFの受容体探索を進めた結果，RGF が直接結合する3つの受容体キナーゼを同定し，これらが重複してRGFの受容に関わることを明らかにした（PNAS in press）．

Current Status of Research Progress

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

Reason

新しいシグナルの同定という研究は，同定できるかできないかの2者択一であるが，今年度は，ゲノム情報に基づいたペプチドホルモン候補のスクリーニングとLC-MSによる成熟型構造解析により，21アミノ酸のチロシン硫酸化ペプチドを新たに同定した．このペプチドは根の中心柱で発現し，欠損株では土壌イオン環境応答に異常が見られることが明らかになりつつあることから，今後の解析に期待ができる．また，ほぼ整備が完了した受容体キナーゼ発現ライブラリを用いて，茎頂メリステム形成に関わるCLV3や根端メリステム形成に関わるRGFの受容体探索を行ない，いずれのケースでもリガンドがダイレクトに結合する受容体キナーゼを同定することに成功した．これらの結果は，受容体キナーゼ発現ライブラリを用いた受容体探索法の確実性や有効性を証明するものであり，全体として研究は順調に進んでいると考えている．

Strategy for Future Research Activity

新しいチロシン硫酸化ペプチドの発見やRGF受容体の同定に成功するなど，順調に成果が出ているため，今後の研究計画に大きな変更はない．成熟型構造や受容体は既に解明に成功しているが，生理機能がまだ分からないリガンド－受容体ペアが残されているため，引き続き解析を続けていく．また機能が解明されたリガンド－受容体ペアについては，その下流情報伝達系の解析を進める予定である．

Research Products

• [Int'l Joint Research] Cold Spring Harbor Laboratory(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Cold Spring Harbor Laboratory
• [Journal Article] Identification of three LRR-RKs involved in perception of root meristem growth factor in Arabidopsis (2016)
  • Author(s): Shinohara H, Mori A, Yasue N, Sumida K, Matsubayashi Y.
  • Journal Title: Proc Natl Acad Sci U S A Volume: 113 Pages: 3897-3902
  • DOI: 10.1073/pnas.1522639113
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A comprehensive strategy for identifying long-distance mobile peptides in xylem sap. (2015)
  • Author(s): Okamoto S, Suzuki T, Kawaguchi M, Higashiyama T, Matsubayashi Y.
  • Journal Title: Plant J. Volume: 84 Pages: 611-620
  • DOI: 10.1111/tpj.13015
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Reevaluation of the CLV3-receptor interaction in the shoot apical meristem: dissection of the CLV3 signaling pathway from a direct ligand-binding point of view. (2015)
  • Author(s): Shinohara H, Matsubayashi Y.
  • Journal Title: Plant J. Volume: 82 Pages: 328-336
  • DOI: 10.1111/tpj.12817
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A cascade of arabinosyltransferases controls shoot meristem size in tomato (2015)
  • Author(s): Xu C, Liberatore KL, MacAlister CA, Huang Z, Chu YH, Jiang K, Brooks C, Ogawa-Ohnishi M, Xiong G, Pauly M, Van Eck J, Matsubayashi Y, van der Knaap E, Lippman ZB.
  • Journal Title: Nature Genet. Volume: 47 Pages: 784-792
  • DOI: 10.1038/ng.3309
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] An Arabidopsis thaliana copper-sensitive mutant suggests a role of phytosulfokine in ethylene production (2015)
  • Author(s): Wu T, Kamiya T, Yumoto H, Sotta N, Katsushi Y, Shigenobu S, Matsubayashi Y, Fujiwara T.
  • Journal Title: J Exp Bot. Volume: 66 Pages: 3657-3667
  • DOI: 10.1093/jxb/erv105
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 窒素欠乏時における植物の長距離シグナル (2016)
  • Author(s): 田畑亮,松林嘉克
  • Organizer: 日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岩手大学
  • Year and Date: 2016-03-15
• [Presentation] アラビノガラクタンプロテイン生 合成における鍵酵素の同定と解析 (2016)
  • Author(s): 小川(大西)真理,川本剛,松林嘉克
  • Organizer: 日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岩手大学
  • Year and Date: 2016-03-15
• [Presentation] TPST deficient mutant reveals the involvement of sulfated-peptide signaling in protonema and gametophore development in Physcomitrella patens (2016)
  • Author(s): 垣田満,壁谷幸子,長谷部光泰,松林 嘉克
  • Organizer: 日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岩手大学
  • Year and Date: 2016-03-15
• [Remarks] 名古屋大学大学院理学研究科生命理学専攻｜細胞間シグナル研究グループ
  • URL: http://www.bio.nagoya-u.ac.jp/~b2