2014 Fiscal Year Annual Research Report
根の緑化応答から明らかにする葉緑体の発達メカニズムとその制御
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26711016
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
小林 康一 東京大学, 総合文化研究科, 助教 (40587945)
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2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 植物生理学 / 分子生物学 / 葉緑体 / 光合成 / シロイヌナズナ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
一部の例外を除き、植物の根は炭素源を葉で行われる光合成に依存している。そのため、根では葉緑体の発達は抑制され、通常ほとんど緑化しない。一方で、自然界では草食生物や生育環境の激変などにより光合成器官の喪失が常に起こり得る。いくつかの植物はこのようなソース器官喪失の際に根の緑化を誘導し、新たな光合成器官の構築を行うことを報告者は明らかにしている。本研究の目的は、葉緑体分化の制御機構と光合成活性化の仕組みを解き明かし、葉緑体の分化・発達制御モデルを分子レベルで構築することにある。
シロイヌナズナにおける報告者の先行研究により、地上部を切除した根の緑化には、サイトカイニンシグナルが必須であることが明らかとなっていた。特に、サイトカイニンの情報伝達因子であるARR1とARR12の二重変異体では切除による根の緑化がまったく誘導されなかった。そこで、これらの機能的冗長性とシグナリング経路を種々の変異体解析によって調べた結果、ARR1とARR12はともに同程度に根の緑化に関わっており、その上流因子としてサイトカイニンレセプターであるAHK2、AHK3が切除根の緑化に必須であることが明らかとなった。報告者はまた、根の緑化制御にはオーキシンシグナルも深く関わることを先行研究により明らかにした。そこで次に、サイトカイニンとオーキシンシグナルが根の緑化制御においてどのような関係にあるのかを調べた。その結果、根の緑化時にオーキシンはARR1/12を介したサイトカイニンシグナルを阻害しないこと、オーキシンによる根の緑化抑制はサイトカイニンシグナルを介さずに行われることを明らかにした。さらに、サイトカイニンは切除根で強く光合成関連遺伝子の発現を誘導するが、オーキシンは切除恨における光合成遺伝子の高発現を強くは抑制しないことを突き止めた。
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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
報告者はシロイヌナズナを材料に、地上部の切除が根の緑化を誘導することをこれまで明らかにしてきたが、その制御の仕組みについてはまだ多くの課題が残されている。本研究の主要課題の一つである葉緑体分化のホルモン制御については、サイトカイニンシグナルの上流及び下流の必須因子を明らかにし、さらにそれらとオーキシンシグナルとの関係を明らかにしたことで、大いに研究を進展させることができた。特に、オーキシンシグナルがサイトカイニンとは別の仕組みによって根の緑化を制御することを見出したことは、今後の研究の方向性を考えると大きく評価できる点である。一方で、これらのホルモンシグナルの下流でどのような因子が葉緑体分化を制御しているのかについては、深く理解できたとは言い難い。先行研究によりHY5やGLK、GNC、CGA1といった転写因子が根の緑化制御に関与していることを報告者は明らかにしているが、これらがどのように相互作用しているのかについては現在解析準備を進めているところで、今後の課題である。また、これらの因子以外にも、組織分化に応じて葉緑体分化を制御する重要な因子が存在することがこれまでの報告者による解析から示唆されており、現在候補因子の探索を行っているところである。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、葉緑体分化制御機構におけるサイトカイニンシグナルとオーキシンシグナルの関係性を明らかにし、それぞれが異なる経路で根の緑化制御を行うことを見出した。そこで、次年度は、その下流における情報伝達機構の解析と、関与する転写因子の解明に挑む。具体的には、ホルモンシグナルの下流において、HY5、GLK、GNCやCGA1といった転写因子が関わることが報告者による先行研究により明らかとなっているので、これらの因子の多重変異体や多重過剰発現体を作成し詳細な解析を行うことで、これらの転写因子の相互作用を解明する。さらに、これらの因子以外にも緑化制御に関わる重要な因子の存在が先行研究により示唆されている。そこで、緑化制御に関与すると言われているCOP1やDET1、PIFsといった制御因子についても同様に調べ、これらが非光合成組織の葉緑体分化制御においてどのように相互作用し、どのように制御されているのかを調べる。特に、切除根の緑化時には葉緑体の量的変化だけでなく、質的変化（光合成効率の向上）が確認されていることから、詳細な光合成活性測定を行うによって葉緑体の質的な状態についても明らかにする。また、これらの既知の緑化制御因子以外にも、切除根の葉緑体分化時には未知の因子が関与する可能性も考えられるため、根におけるクロロフィル蛍光を指標とした変異体、過剰発現体ラインの大規模スクリーニングを行い、根において葉緑体分化が異常になった株の同定を進める。スクリーニングに用いるクロロフィル蛍光イメージャーは大規模スクリーニングに向けたセットアップが完了し、現在スクリーニングに向けた株の準備を進めているところである。
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| Causes of Carryover |
地上部を切除した根の緑化過程において、核コード光合成遺伝子やそれを制御する転写因子、葉緑体コード光合成遺伝子、葉緑体転写翻訳系遺伝子の発現量をリアルタイムPCR解析とトランスクリプトーム解析によって経時的に定量し、それぞれの遺伝子がどのような順序でどのように協調して発現するのかを解析する計画であったが、クロロフィル測定や光合成活性測定とリアルタイムPCR解析の結果、光合成関連遺伝子の発現と光合成系の構築にギャップが生じる可能性が分かった。そのため、リアルタイムPCR解析をタイムコースで行うなど、トランスクリプトーム解析の前により詳細な発現プロファイルを知る必要が出たため、高額なマイクロアレイ解析を一時的に見送ったことによる。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
詳細なリアルタイムPCR解析とトランスクリプトーム解析を行う予定である。詳細なリアルタイムPCR解析には、現状使用している所属機関の共通機器で行うのは困難であるため、新規に一台の購入を予定している。トランスクリプトーム解析については、マイクロアレイとRNAシーケンスのどちらが本研究の目的に妥当であるかを見極めたうえで行う計画である。
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