様々なタイプのオートファジーによる植物の高次機能発現

• Project Area: Multimode autophagy: Diverse pathways and selectivity
• Project/Area Number: 19H05713
• 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: Meiji University
• Principal Investigator: 吉本 光希 明治大学, 農学部, 専任教授 (40399316)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 海老根 一生 基礎生物学研究所, 細胞動態研究部門, 助教 (90590399)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥66,820,000 (Direct Cost: ¥51,400,000、Indirect Cost: ¥15,420,000); Fiscal Year 2023: ¥13,000,000 (Direct Cost: ¥10,000,000、Indirect Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2022: ¥13,000,000 (Direct Cost: ¥10,000,000、Indirect Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2021: ¥13,000,000 (Direct Cost: ¥10,000,000、Indirect Cost: ¥3,000,000); Fiscal Year 2020: ¥11,960,000 (Direct Cost: ¥9,200,000、Indirect Cost: ¥2,760,000); Fiscal Year 2019: ¥15,860,000 (Direct Cost: ¥12,200,000、Indirect Cost: ¥3,660,000)
• Keywords: オートファジー / 液胞膜 / クロロファジー / 栄養欠乏 / ミクロオートファジー / リン酸欠乏 / 小胞体 / 液胞 / 分解 / 植物 / オルガネラ / 環境ストレス

Outline of Research at the Start

植物は一度大地に芽生えると移動することができないため独自の環境応答機能を進化させており、他の生物とは一線を画していると考えられる。
本研究計画では、独立栄養生物であるが故に存在する様々なタイプのオートファジー機構の解明、およびそれらによる植物の高次機能発現の解明を目的とし、その成果をもとに、植物オートファジーの環境応答機能としての重要性を理解し他の生物と比較しながら植物の巧みな生存戦略の一端を紐解く。
具体的には、カルス形成における植物マクロオートファジーの役割、亜鉛欠乏下における植物マクロオートファジーの役割、アンモニアストレス下におけるマクロ・ミクロオートファジーの膜動態とその連携を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、独立栄養生物であるが故に存在する様々なタイプのオートファジー機構の解明、およびそれらによる植物の高次機能発現の解明を目的とし、その成果をもとに、植物オートファジーの環境応答機能としての重要性を理解して他の生物と比較しながら植物の巧みな生存戦略の一端を紐解くことを目指している。今年度は以下の課題を推進した。
①栄養欠乏下における植物マクロオートファジーの役割
前年度までに、リン酸欠乏かつ窒素過剰条件下でオートファジーが葉において誘導されることを明らかにしてきた（Yoshitake et al.,Plant Physiol., 2021）。今年度は、リン酸欠乏の早期段階においてオートファジーが自己成分を分解することでリン酸をリサイクルしていることを発見した。さらに、この際のオートファジーが何を分解しているのか、どのようにして誘導されるのか解析し、早期リン酸欠乏時に、オートファジーによる特異的な小胞体の分解（ERファジー）が誘導されること、このERファジーは細胞内に流入した鉄を介した過酸化脂質蓄積による小胞体ストレスによって引き起こされることを明らかにした。
さらに、早期リン酸欠乏時に引き起こされるERファジーは、これまで知られていた後期リン酸欠乏応答機構を抑制することも明らかにした。本研究により、今回発見した早期リン酸欠乏応答機構と従来知られていた後期リン酸欠乏応答機構を使い分けることで、植物は時空間的に不均一なリン酸濃度環境に適応しているという新たな環境適応機構を提唱した。
②ストレス下におけるマクロ・ミクロオートファジーの膜動態とその連携
これまでにアンモニアストレス下においてミクロオートファジーが活性化することを発見した。今年度はミクロオートファジーを誘導する新たな化合物“X”を見出した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

昨年度は、必須微量栄養素の中でも亜鉛に着目し、その欠乏下および過剰下における植物マクロオートファジーの役割について、明らかにし、原著論文2報の結論から新たなモデルを提唱し総説論文1報を発表した。
今年度はそれらに加えて、早期リン酸欠乏下におけるマクロオートファジーの新たな役割も明らかにし原著論文1報を発表した。
また、ミクロオートファジーを誘導する新たな化合物“X”を見出した。本発見は，未だ不明の植物ミクロオートファジーの分子機構解明に向けた新規研究ツールになり得る。
これらの結果から、本研究課題はおおむね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

ミクロオートファジーを誘導する新たな化合物“X”を見出したことに加え、マクロオートファジー関連ATGタンパク質の一つがミクロオートファジーにも関与することを見出している。現段階ではそのタンパク質ののミクロオートファジーにおける役割の詳細な分子メカニズムは不明である。今後はそのタンパク質の細胞内局在や、相互作用因子を共免疫沈降実験により単離・同定することで、植物ミクロオートファジーの分子機構に迫る。

Research Products

• [Int'l Joint Research] アルゼンチン国立農牧技術院(アルゼンチン)
• [Int'l Joint Research] フランス国立農学研究所(フランス)
• [Int'l Joint Research] アルゼンチン国立農牧技術院(アルゼンチン)
• [Int'l Joint Research] フランス国立農学研究所(フランス)
• [Int'l Joint Research] フランス国立農学研究所/フランスの国立科学研究センター(フランス)
• [Journal Article] Intracellular phosphate recycling systems for survival during phosphate starvation in plants (2023)
  • Author(s): Yoshitake, Y. and Yoshimoto, K.
  • Journal Title: Front. Plant Sci. Volume: 13
  • DOI: 10.3389/fpls.2022.1088211
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pexophagy suppresses ROS-induced damage in leaf cells under high-intensity light (2022)
  • Author(s): Oikawa, K., Goto-Yamada, S., Hayashi, Y., Takahashi, D., Kimori, Y., Shibata, M., Yoshimoto, K., Takemiya, A., Kondo, M., Hikino, K., Kato, A., Shimoda, K., Ueda, H., Uemura, M., Numata, K., Ohsumi, Y., Hara-Nishimura, I., Mano, S., Yamada, K., and Nishimura, M.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 7 Issue: 1 Pages: 7493-7493
  • DOI: 10.1038/s41467-022-35138-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Autophagy triggered by iron mediated ER stress is an important stress response to the early phase of Pi starvation in plants (2022)
  • Author(s): Yushi Yoshitake, Daiki Shinozaki, Kohki Yoshimoto
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: 110 Issue: 5 Pages: 1370-1381
  • DOI: 10.1111/tpj.15743
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The role of reticulophagy under early phase phosphate starvation in plant cells. (2022)
  • Author(s): Yoshitake, Y., and Yoshimoto, K.
  • Journal Title: Autophagy Rep. Volume: 1 Issue: 1 Pages: 256-259
  • DOI: 10.1080/27694127.2022.2089511
• [Journal Article] Autophagy balances the zinc-iron seesaw caused by Zn-stress. (2021)
  • Author(s): Shinozaki, D., and Yoshimoto, K.
  • Journal Title: Trends Plant Sci. Volume: 26 Issue: 9 Pages: 822-884
  • DOI: 10.1016/j.tplants.2021.06.014
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A proposed role for endomembrane trafficking processes in regulating tonoplast content and vacuole dynamics under ammonium stress conditions in Arabidopsis root cells. (2021)
  • Author(s): Robert, G., Yagyu, M., Lascano, R., Masclaux-Daubresse, C., and Yoshimoto, K.
  • Journal Title: Plant Signal. Behav. Volume: 16 Issue: 9 Pages: 1924977-1924977
  • DOI: 10.1080/15592324.2021.1924977
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ammonium stress increases microautophagic activity while impairing macroautophagic flux in Arabidopsis roots (2021)
  • Author(s): Robert, G., Yagyu, M., Koizumi, T., Naya, L., Masclaux-Daubresse, C., and Yoshimoto, K.
  • Journal Title: Plant J. Volume: 105 Issue: 4 Pages: 1083-1097
  • DOI: 10.1111/tpj.15091
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Importance of non-systemic leaf autophagy for suppression of zinc starvation induced-chlorosis (2020)
  • Author(s): Shinozaki, D., Notaguchi, M., and Yoshimoto, K.
  • Journal Title: Plant Signal. Behav. Volume: 15 Issue: 5 Pages: 1-4
  • DOI: 10.1080/15592324.2020.1746042
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Editorial: Organelle autophagy in plant development (2020)
  • Author(s): Izumi, M., Yoshimoto, K., and Batoko H.
  • Journal Title: Front. Plant Sci. Volume: 11 Pages: 1-2
  • DOI: 10.3389/fpls.2020.00502
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] RCB-mediated chlorophagy caused by oversupply of nitrogen suppresses phosphate-starvation stress in plants (2020)
  • Author(s): Yoshitake Yushi、Nakamura Sakuya、Shinozaki Daiki、Izumi Masanori、Yoshimoto Kohki、Ohta Hiroyuki、Shimojima Mie
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 185 Pages: 318-330
  • DOI: 10.1093/plphys/kiaa030
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Autophagy increases zinc bioavailability to avoid light-mediated reactive oxygen species production under zinc deficiency. (2020)
  • Author(s): 6.Shinozaki D, Merkulova A. E, Naya L, Horie T, Kanno Y, Seo M, Ohsumi Y, Masclaux-Daubresse C, *Yoshimoto K.
  • Journal Title: Plant Physiol. Volume: 182 Issue: 3 Pages: 1284-296
  • DOI: 10.1104/pp.19.01522
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Importance of plant autophagy in terms of plant essential nutrients (2019)
  • Author(s): 吉本光希
  • Journal Title: 生化学 Volume: 91 Issue: 5 Pages: 652-658
  • DOI: 10.14952/SEIKAGAKU.2019.910652
  • ISSN: 0037-1017
  • Year and Date: 2019-10-25
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Autophagy and nutrients management in plants. (2019)
  • Author(s): 7.Chen Q, Shinozaki D, Luo J, Pottier M, Have M, Marmagne A, Reisdorf-Cren M, Chardon F, Thomine S, Yoshimoto K, *Masclaux-Daubresse C.
  • Journal Title: Cells Volume: 8 Issue: 11 Pages: 1426-1426
  • DOI: 10.3390/cells8111426
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 植物オートファジーにおける膜タンパク質ATG9の機能解析 (2023)
  • Author(s): 只木亮哉、黒崎智史、井上和也、篠崎大樹、吉本光希
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 葉緑体局在DPD1エキソヌクレアーゼ欠損変異体ではクロロファジーが抑制される (2023)
  • Author(s): 吉竹悠宇志、吉本光希
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 細胞内自己成分分解系オートファジーが担う植物体内亜鉛ホメオスタシス (2022)
  • Author(s): 篠崎大樹、吉本光希
  • Organizer: 第33回日本微量元素学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] Wide-range zinc homeostasis management via autophagy in plants (2022)
  • Author(s): Shinozaki D., and Yoshimoto K.
  • Organizer: The 10th International Symposium on Autophagy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Exploring factors involved in plant-specific microautophagy driven by vacuolar membrane dynamics (2022)
  • Author(s): Yagyu M., and Yoshimoto K.
  • Organizer: The 10th International Symposium on Autophagy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Excess supply of nitrate induces chlorophagy under phosphate starvation in plants (2022)
  • Author(s): Yoshitake Y., and Yoshimoto K.
  • Organizer: The 10th International Symposium on Autophagy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Autophagy is important for adaptation to calcium deficiency in plants (2022)
  • Author(s): Davoudi Pahnekolayi M., Shinozaki D., Yoshimoto K.
  • Organizer: The 10th International Symposium on Autophagy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 植物における液胞膜動態を介する自己分解機構 “ミクロ”オートファジー関連因子の探索 (2021)
  • Author(s): 柳生真子、吉本光希
  • Organizer: 日本分子生物学会
• [Presentation] オートファジーの植物体内金属恒常性維持機構としての新たな一面 (2021)
  • Author(s): 篠崎大樹、吉本光希
  • Organizer: 日本植物学会
• [Presentation] 植物におけるミクロオートファジー関連因子の探索 (2021)
  • Author(s): 柳生真子、吉本光希
  • Organizer: 日本植物学会
• [Presentation] オートファジーと概日時計間の相互作用の解析 (2021)
  • Author(s): 齋藤由花、藤森梢、吉本光希
  • Organizer: 日本植物学会
• [Presentation] リン酸リサイクルにおけるオートファジーの重要性 (2021)
  • Author(s): 吉竹悠宇志、吉本光希
  • Organizer: 日本植物生理学会年会
• [Presentation] アンモニアストレス下におけるマクロ・ミクロオートファジーの膜動態 (2020)
  • Author(s): 吉本光希
  • Organizer: 日本生化学会大会
  • Invited
• [Presentation] 選択的・非選択的オートファジーによる植物生体内恒常性維持 (2020)
  • Author(s): 吉本光希
  • Organizer: 植物オルガネラワークショップ
  • Invited
• [Presentation] 主根伸長における小胞体局在SNAREタンパク質の役割 (2020)
  • Author(s): 吉竹悠宇志，早坂渉，吉本光希
  • Organizer: 日本植物生理学会年会
• [Presentation] オートファジーによる亜鉛の再利用効率向上は，亜鉛欠乏時の葉緑体でのヒドロキシラジカルの生成を抑制する (2020)
  • Author(s): 篠崎大樹，Ekaterina Merkulova，Loreto Naya，Celine Masclaux-Daubresse，吉本光希
  • Organizer: 日本植物生理学会年会
• [Presentation] 植物オートファジーによる亜鉛の生物的利用能の向上 (2019)
  • Author(s): 篠崎 大樹, Ekaterina A. Merkulova, Loreto Naya, 堀江 哲郎, 大隅 良典, Celine Masclaux-Daubresse, 吉本 光希
  • Organizer: 植物の栄養研究会
• [Presentation] カルス形成におけるオートファジーの役割 (2019)
  • Author(s): 宇津木優樹，岩瀬哲，吉本光希
  • Organizer: オートファジー研究会
• [Presentation] 様々なタイプのオートファジーによる植物の高次機能発現 (2019)
  • Author(s): 吉本光希
  • Organizer: オートファジー研究会
• [Presentation] Physiological roles of autophagy under Zn deficiency in plants. (2019)
  • Author(s): Yoshimoto, K.
  • Organizer: International Conference on Food Factors
  • Int'l Joint Research / Invited