アンチセンスncRNAを介した植物の環境ストレス認識・記憶システムの解析

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Integrative system of autonomous environmental signal recognition and memorization for plant plasticity
• Project/Area Number: 18H04791
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 関 原明 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, チームリーダー (80281624)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: アンチセンスRNA / 長鎖ncRNA / 植物の環境ストレス適応 / 環境ストレス記憶

Outline of Annual Research Achievements

1.ストレス誘導性のアンチセンスncRNAの生成に関わる新規因子の同定および機能解析：2本鎖RNA分解に関与する2本鎖RNaseのRTL1を同定し解析を進めた。RTL1は再吸水処理で発現が上昇する。エストラジオール誘導性の人工miRNAを用いたRTL1の機能抑制系統を作成し解析を進めている。2本鎖RNA分解経路（RDR1/2/6とRTL1が関与）と1本鎖RNA分解経路（XRN4）の関係（RDR1/2/6 がmRNA の分解産物を鋳型とするか）を解析するために、xrn4とrdr1/2/6の4重変異体の作成を試みたがホモ変異体を作出できなかった。F2世代のアリル解析や遺伝学的な連鎖解析に加えて、エストラジオール誘導性の人工miRNAを用いた4重変異体の作成も進めている。新規因子の同定を目指してrdr1/2/6をEMS 処理して、乾燥-再吸水処理後の根の生長がrdr1/2/6と異なる系統を選抜した。根の伸長復帰変異体が3系統、伸長抑制変異体が2系統単離され、変異遺伝子の探索を進めている。

2.ストレス誘導性のアンチセンスncRNAの環境ストレス適応・記憶における生理的な機能解明：再吸水による回復時に生理的な機能を有するRDR1/2/6のターゲットmRNAを同定するために、顕著な表現型が観察された根組織を用いてrdr1/2/6および野生株のトランスクリプトーム解析を行った。再吸水時のrdr1/2/6と野生型の発現を比較すると、サリチル酸(SA)応答性の遺伝子の発現が変化していた。rdr1/2/6依存性のアンチセンスncRNA遺伝子座と比較するとSA応答性の転写因子が重複していた。SA処理により、野生型では成長応答に変化が見られないが、rdr1/2/6では根の成長抑制とアントシアニン蓄積が観察された。RDR1/2/6はSA応答の一部を抑制する機能を有することが示唆された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

連携研究者と密に相談しながら研究を実施しているため。

Strategy for Future Research Activity

環境ストレス下でRDR1/2/6によって生成されるアンチセンスRNAは、mRNA分解を促進していた。2018年度にXRN4依存的なRNA分解とRDR依存的なRNA分解が相補的な関係である可能性および、再給水時のrdr1/2/6の表現型がサリチル酸（SA)シグナルに関連する可能性を示した。2019年度は、以下の研究を推進する。
1.野生型シロイヌナズナの根の伸長に対してSAシグナルは正負の複雑な制御に関与する事が推測される。アンチセンスRNAの影響がSAシグナルの一部抑制やSAに対する高感受性に関与するかを確認するために、ターゲット遺伝子の変異体を用いた解析やSA濃度を変えた処理実験を実施する。
2.mRNA分解に関与するNMDのターゲットmRNAを認識するUPF1, UPF3の変異体ではSA高感受性になることが報告されている。しかしながら、XRN4変異体のSA感受性は報告されていない。アンチセンスRNAの生成機構とSAシグナル経路の関係を明らかにするために、upf1,upf3,xrn4,rdr1/2/6の変異体を用いてSA感受性やRDR1/2/6のターゲット遺伝子（SAシグナル伝達に関与するもの）への影響を解析する。
3.XRN4遺伝子を標的としてエストラジオール誘導性人工miRNAを導入したxrn4/rdr1/2/6の4重変異体を用いて、乾燥やSA処理による表現型およびターゲットmRNAの分解速度を測定する。これによって実験２の結果を直接的に確認する。
4.RTL1あるいはRTL2遺伝子（RTL1のホモログ遺伝子）に対するエストラジオール誘導性人工miRNAを導入した形質転換体を用いてアンチセンスRNAの蓄積量とRNA分解速度を測定する。これによってRDR1/2/6によって生成されたアンチセンスRNAがRTL1あるいはRTL2により分解されるかを確認する。

Research Products

• [Journal Article] The involvement of long non-coding RNAs in response to plant stress (2019)
  • Author(s): Matsui, A.* and Seki, M.*
  • Journal Title: Methods in Molecular Biology Volume: 1933 Pages: 151-171
  • DOI: 10.1007/978-1-4939-9045-0_8.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The duration of high-salinity stress tolerance by ethanol in Arabidopsis thaliana. (2018)
  • Author(s): Sako, K., Sunaoshi, Y., Tanaka, M., Matsui, A. and Seki, M.
  • Journal Title: Plant Signal. Behav. Volume: 13 Pages: e1500065
  • DOI: 10.1080/15592324.2018.1500065.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Versatility of HDA19-deficiency for increasing tolerance to environmental stresses in Arabidopsis. (2018)
  • Author(s): Ueda, M., Matsui, A., Nakamura, T., Abe, T., Sunaoshi, Y., Shimada, H. and Seki, M.
  • Journal Title: Plant Signal. Behav. Volume: 13 Pages: e1475808
  • DOI: 10.1080/15592324.2018.1475808.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] AtPep3 is a hormone-like peptide that plays a role in salinity stress tolerance of plants. (2018)
  • Author(s): Nakaminami, K., Okamoto, M., Higuchi-Takeuchi, M., Yoshizumi, T., Yamaguchi, Y., Fukao, Y., Shimizu, M., Ohashi, C., Tanaka, M., Matsui, M., Shinozaki, K., Seki, M.* and Hanada, K.*
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume: 115 Pages: 5810-5815
  • DOI: 10.1073/pnas.1719491115.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The modulation of acetic acid pathway genes in Arabidopsis produces drought-stress tolerant plants. (2018)
  • Author(s): Rasheed, S., Bashir, K., Kim, J.M., Ando, M., Tanaka, M. and Seki, M.
  • Journal Title: Scientific Rep. Volume: 8 Pages: 7831
  • DOI: 10.1038/s41598-018-26103-2.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Transcriptomic analysis of Arabidopsis thaliana plants treated with the Ky-9 and Ky-72 histone deacetylase inhibitors. (2018)
  • Author(s): Nguyen, H.M., Sako, K., Matsui, A., Ueda, M., Tanaka, M., Ito, A., Nishino, N., Yoshida, M. and Seki, M.
  • Journal Title: Plant Signal. Behav. Volume: 13 Pages: e1448333
  • DOI: 10.1080/15592324.2018.1448333.
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Novel antisense RNA and epigenome regulation in plant abiotic stress adaptation (2019)
  • Author(s): Matsui, A., Ueda, M., Bashir, K., Sako, K., Kim, J.M., Nguyen, H.M., Sunaoshi, Y., Rasheed, S., Ishida, J., Tanaka, M. and Seki, M.
  • Organizer: The International Conference on Post-transcriptional Gene Regulation in Plants (PGRP) 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Novel Epigenetic, RNA and Peptide Regulation in Plant Abiotic Stress Adaptation (2018)
  • Author(s): Seki, M.
  • Organizer: Seminar at Institute of Network Biology (INET), Helmholtz Zentrum Munchen
  • Invited
• [Presentation] Novel Epigenetic and RNA Regulation in Plant Abiotic Stress Adaptation (2018)
  • Author(s): Seki, M.
  • Organizer: The 5th International Conference “Plant Abiotic Stress Tolerance”, Vienna International Science Conferences and Events Association (VISCEA)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Molecular mechanisms of drought tolerance (2018)
  • Author(s): Matsui, A., Bashir, K., Ueda, M., Kim, J.M., Nguyen, H.M., Sako, K., Sunaoshi, Y., Rasheed, S., Nakaminami, K., Ishida, J., Tanaka, M. and Seki, M.
  • Organizer: FEBS Workshop 2018 - Resurrection plants: Hope for crop drought tolerance (ReHOPE)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 国立研究開発法人理化学研究所環境資源科学研究センター植物ゲノム発現研究チームホームページ
  • URL: http://www.csrs.riken.jp/jp/labs/pgnrt/index.html