幹細胞新生のタイミングを制御する分子機構の解明

• Project Area: Principles of pluripotent stem cells underlying plant vitality
• Project/Area Number: 17H06474
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Kyoto University (2019-2021); Tohoku University (2017-2018)
• Principal Investigator: 山口 信次郎 京都大学, 化学研究所, 教授 (10332298)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2022-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥80,210,000 (Direct Cost: ¥61,700,000、Indirect Cost: ¥18,510,000); Fiscal Year 2021: ¥14,040,000 (Direct Cost: ¥10,800,000、Indirect Cost: ¥3,240,000); Fiscal Year 2020: ¥14,040,000 (Direct Cost: ¥10,800,000、Indirect Cost: ¥3,240,000); Fiscal Year 2019: ¥14,040,000 (Direct Cost: ¥10,800,000、Indirect Cost: ¥3,240,000); Fiscal Year 2018: ¥14,040,000 (Direct Cost: ¥10,800,000、Indirect Cost: ¥3,240,000); Fiscal Year 2017: ¥24,050,000 (Direct Cost: ¥18,500,000、Indirect Cost: ¥5,550,000)
• Keywords: 植物幹細胞 / シグナル分子 / 植物 / シロイヌナズナ / ヒメツリガネゴケ / イネ

Outline of Annual Research Achievements

シロイヌナズナのkluh (klu)変異体やイネのplastochron1 (pla1)変異体は、一定期間に着ける葉の数が多い突然変異体であり、腋芽幹細胞を生成するタイミングが野生型と比較して速くなっている。これまでの研究から、PLA1/KLU遺伝子は機能未知のシトクロムP450酸化酵素（CYP78A）をコードすることが明らかにされている。本研究では、CYP78Aの植物体内での基質と生成物の同定を目指し、CYP78A由来の低分子シグナル（CYP78シグナル）が腋芽幹細胞の新生のタイミングをどのように調節しているのかを明らかにしたいと考えている。本年度は以下の実験を行った。
(1) 前年度までにイネとシロイヌナズナの茎頂部を材料に行ったトランスクリプトーム解析の結果から、CYP78シグナルによって制御されるマーカー遺伝子を選抜した。ヒメツリガネゴケのCYP78過剰発現体から得られた抽出物を分画し、各画分をシロイヌナズナのcyp78a二重変異体の茎頂部に与えたところ、マーカー遺伝子の発現を有意に増加させる画分が見出された。現在、この結果の再現性を確認している。
(2) ヒメツリガネゴケのcyp78a二重変異体は側枝の枝分かれが抑制され、CYP78A過剰発現体では枝分かれが増加することを明らかにした。側枝の枝分かれはオーキシンにより抑制されることが知られている。cyp78a二重変異体では原糸体におけるオーキシン（インドール酢酸）の内生量が増加し、逆に培地に放出されるオーキシン量はCYP78A過剰発現体で増加することが明らかになった。これらの結果から、CYP78シグナルはオーキシンの分布に影響を与えることが示された。
(3) 腋芽幹細胞の活性調節に働いているストリゴラクトンの修飾酵素の機能を新たに同定した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は、以前に行ったイネとシロイヌナズナの茎頂部におけるトランスクリプトーム解析からCYP78シグナルのマーカー遺伝子を選抜した。これらの遺伝子発現を指標にヒメツリガネゴケCYP78A過剰発現体の抽出物中に、マーカー遺伝子の発現を有意に上昇させる画分を得ることができた。コントロールとして同じ画分をcyp78a二重変異体から調製した場合には、マーカー遺伝子の発現の有意な上昇は認められなかった。現在、これらの結果の再現性を確認している。
当研究領域全体で「オーキシンシグナルの低下が幹細胞の維持（新生）に重要である」という作業仮説の検証を行っている。本年度は、ヒメツリガネ原糸体において幹細胞新生を伴う側枝の形成をCYP78シグナルがオーキシン内生量の増加を介してネガティブに制御している可能性を支持する結果を得た。この結果は、領域全体の作業仮説をサポートするものである。
また、本年度は腋芽幹細胞の活性調節に関わる植物ホルモンであるストリゴラクトンの研究においても新たな知見を得ることができた。

Strategy for Future Research Activity

今年度は、マーカー遺伝子の発現量を指標にしたヒメツリガネゴケの抽出画分におけるCYP78シグナル活性の検出と精製を引き続き行う。活性画分の更なる精製を進め、CYP78シグナルの単離を目指す。
「オーキシンシグナルの低下が幹細胞の維持（新生）に重要である」という作業仮説の検証に関しては、ヒメツリガネゴケ原糸体の側枝形成において、CYP78シグナルがどのようにオーキシンの分布を変化させるのかを明らかにする。
ヒメツリガネゴケのcyp78a二重変異体は、茎葉体の形成が不全であり、茎葉体ではなく細胞塊が形成される。この際、サイトカイニンの関与が示唆されることから、CYP78シグナルとサイトカイニンの関係を調べる。
ストリゴラクトンに関しては、本年度に酵素機能を解明したイネの新たな修飾酵素の生理機能の解明を目指して、ゲノム編集により作出した当該酵素遺伝子の変異体と過剰発現体の詳細な解析を行う。

Research Products

• [Journal Article] Strigolactone biosynthesis, transport and perception (2020)
  • Author(s): Mashiguchi Kiyoshi、Seto Yoshiya、Yamaguchi Shinjiro
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: 105 Pages: 335-350
  • DOI: 10.1111/tpj.15059
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Strigolactone perception and deactivation by a hydrolase receptor DWARF14 (2019)
  • Author(s): Seto Y,Yasui R,Kameoka H,Tamiru M,Cao M,Terauchi R,Sakurada A,Hirano R,Kisugi T,Hanada A,Umehara M,Seo E,Akiyama Ki,Burke J,Takeda-Kamiya N,Li W,Hirano Y,Hakoshima T,Mashiguchi K,Noel JP,Kyozuka J,Yamaguchi S
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 10 Pages: 191-191
  • DOI: 10.1038/s41467-018-08124-7
  • NAID: 120006550404
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Chemical screening of novel strigolactone agonists that specifically interact with DWARF14 protein (2019)
  • Author(s): Yasui Rei、Seto Yoshiya、Ito Shinsaku、Kawada Kojiro、Itto-Nakama Kaori、Mashiguchi Kiyoshi、Yamaguchi Shinjiro
  • Journal Title: Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters Volume: 29 Pages: 938-942
  • DOI: 10.1016/j.bmcl.2019.01.010
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ethylene-gibberellin signaling underlies adaptation of rice to periodic flooding (2018)
  • Author(s): T Kuroha, K Nagai, R Gamuyao, D R Wang, T Furuta, M Nakamori, T Kitaoka, K Adachi, A Minami, Y Mori, K Mashiguchi, Y Seto, S Yamaguchi, M Kojima, H Sakakibara, J Wu, K Ebana, N Mitsuda, M Ohme-Takagi, S Yanagisawa, M Yamasaki, R Yokoyama, K Nishitani, T Mochizuki, G Tamiya, S R McCouch, and M Ashikari
  • Journal Title: Science Volume: 361 Pages: 181-186
  • DOI: 10.1126/science.aat1577
  • NAID: 120006529624
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] ヒメツリガネゴケにおける CYP78A の機能とオーキシンの関係性 (2020)
  • Author(s): 竹元廣大、増口潔、山口信次郎
  • Organizer: 植物化学調節学会第55回大会
• [Presentation] Strigolactone biosynthesis in Arabidopsis and rice (2019)
  • Author(s): Shinjiro Yamaguchi
  • Organizer: The 23rd International Conference on Plant Growth Substances
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mechanisms for the timing of the stem cell production in plants (2019)
  • Author(s): Yamaguchi Shinjiro
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 化学と生物学の融合的アプローチによる植物ホルモンの分子機構の解析 (2019)
  • Author(s): 山口信次郎
  • Organizer: 日本化学会第99春季年会
  • Invited
• [Presentation] Strigolactone biosynthesis and action (2018)
  • Author(s): Yamaguchi Shinjiro
  • Organizer: 2018 International Conference of the Korean Society of Plant Biologists
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Strigolactone biosynthesis in rice (2018)
  • Author(s): Yamaguchi Shinjiro
  • Organizer: 16th International Symposium on Rice Functional Genomics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ストリゴラクトン：カロテノイド由来の植物ホルモン (2018)
  • Author(s): 山口信次郎
  • Organizer: 日本農芸化学会 東北・北海道合同支部大会
  • Invited
• [Presentation] シロイヌナズナのDWARF14によるストリゴラクトンの受容と加水分解の経時的な解析 (2017)
  • Author(s): 安井令、瀬戸義哉、来生貴也、秋山康紀、増口潔、山口信次郎
  • Organizer: 植物化学調節学会第52回大会
• [Remarks] 新学術領域研究「植物多能性幹細胞」
  • URL: http://www.plant-stem-cells.jp/
• [Remarks] 京都大学化学研究所 生体触媒化学研究領域
  • URL: https://www.scl.kyoto-u.ac.jp/~plant/index.html
• [Remarks] 東北大学大学院生命科学研究科 分子化学生物学専攻：ケミカルバイオロジー講座 活性分子動態分野
  • URL: https://www.lifesci.tohoku.ac.jp/research/fields/laboratory.html?id=7807