光に対する植物の細胞応答機構の解析

• Project Area: Environmental sensing of plants: Signal perception, processing and cellular responses
• Project/Area Number: 22120002
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 長谷 あきら 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (40183082)
• Project Fiscal Year: 2010-06-23 – 2015-03-31(Estimated)
• Project Status: Completed(Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥161,980,000 (Direct Cost : ¥124,600,000、Indirect Cost : ¥37,380,000); Fiscal Year 2014 : ¥27,820,000 (Direct Cost : ¥21,400,000、Indirect Cost : ¥6,420,000); Fiscal Year 2013 : ¥29,120,000 (Direct Cost : ¥22,400,000、Indirect Cost : ¥6,720,000); Fiscal Year 2012 : ¥30,940,000 (Direct Cost : ¥23,800,000、Indirect Cost : ¥7,140,000); Fiscal Year 2011 : ¥30,550,000 (Direct Cost : ¥23,500,000、Indirect Cost : ¥7,050,000); Fiscal Year 2010 : ¥43,550,000 (Direct Cost : ¥33,500,000、Indirect Cost : ¥10,050,000)
• Keywords: 環境応答 / 細胞 / シグナル伝達 / 植物 / 光受容体

Outline of Annual Research Achievements

植物は、植物に特有の光受容体によって光情報を感知している。その分子レベルの作用機構に関する研究は、分子遺伝学的手法の導入により急速に発展した。しかしながら、「個々の細胞応答が個体の応答としてどのように統合されるのか」については研究が著しく立ち遅れている。本研究では、この分野における実績に基づき、レーザー顕微手術、一細胞遺伝子発現計測、質量顕微鏡などを利用した新しいタイプの研究を強力に進め、光応答における組織／器官間シグナル伝達に関する新奇性の高い成果を上げることを目指した。また、従来から行っている光受容体の作用機構に関する研究や、我々が最近発見した、細胞変形に対する細胞応答や力学応答に関する解析を進めた。主要な成果は以下の通りである。
　個体レベルの光応答については、これまで、計画研究・細川班と共同でシロイヌナズナ芽生えに対してフェムト秒レーザーを用いた顕微手術法の開発を進めてきた。本年度は、光応答に関わる変異体で子葉と胚軸の連絡を絶った場合の光応答を解析し、オーキシン以外の未知シグナルが葉柄の維管束を通じて伝達されることを見出した。さらに、計画研究・神原班と共同で、微細組織片における遺伝子発現解析のための技術開発を進めた。また、計画研究・高橋勝利班と共同で光に対する代謝物応答の空間分布を新しく開発されたイメージング質量分析法により調べた。
　光受容体の作用機構についてはフォトトロピンの膜局在や、ARF1との相互作用に必要なフォトトロピン分子内の構造の解析を進めた。また、光ストレスにより葉緑体が破壊された場合におこる核遺伝子の発現調節について、GUN5タンパク質を中心に解析を進めた。さらに、機械刺激に対する細胞応答については、より多くの細胞質ゾル局在型GFP融合タンパク質の観察を行った。

Current Status of Research Progress

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

Reason

研究は概ね順調に進捗した。顕微手術実験については、オーキシンを合成できない変異体においても、子葉から胚軸へのシグナル伝達によって胚軸の外から与えたオーキシンに対する感受性が上昇することが示され、未知シグナルがオーキシンそのものである可能性は低いことが示された。また、イメージング質量分析については、ガラス板にそのまま張り付けたシロイヌナズナの黄化芽生えからシグナルを得るための条件を確立した。さらにこの実験系を用いて赤色光による脱黄化過程の解析を行い、フィトクロムの作用によって子葉におけるトリアシルグリセロールとスクロースの量が激減するこを見出した。また、機械刺激応答については、細胞を圧迫しながら観察するための装置を開発し、これを用いて、様々な細胞質ゾル局在型GFP融合タンパク質で、その流動性が圧迫により著しく低下することを見出した。以上のように、新技術や異分野研究者との連携により植物の光応答や環境応答に関する新奇の知見を得ることができた。

Research Output

• [Journal Article] The Plant Organelles Database 3 (PODB3) update 2014: Integrating electron micrographs and new options for plant organelle research (2014)
  • Author(s): Mano, S., T. Nakamura, M. Kondo, T. Miwa, S.I. Nishikawa, T. Mimura, A. Nagatani and M. Nishimura
  • Journal Title: Plant Cell Physiol. Volume : 55 Pages : e1(1-9)
  • DOI: 10.1093/pcp/pct140
• [Journal Article] Light-induced conformational changes of LOV (Light Oxygen Voltage-sensing domain) 1 and LOV2 relative to the kinase domain and regulation of kinase activity in Chlamydomonas phototropin. (2014)
  • Author(s): Okajima, K., Y. Aihara, Y. Takayama, M. Nakajima, S. Kashojiya, T. Hikima, T. Oroguchi, A. Kobayashi, Y. Sekiguchi, M. Yamamoto, T. Suzuki, A. Nagatani, M. Nakasako and S. Tokutomi
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume : 289 Pages : 413-422
  • DOI: 10.1074/jbc.M113.515403
• [Journal Article] The phototropic response is locally regulated within the topmost light-responsive region of the Arabidopsis thaliana seedling. (2014)
  • Author(s): Yamamoto, K., T. Suzuki1, Y. Aihara1, K. Haga, T. Sakai and A. Nagatani
  • Journal Title: Plant Cell Physiol. Volume : 55 Pages : 497-506
  • DOI: 10.1093/pcp/pct184
• [Journal Article] PHYTOCHROME-DEPENDENT LATE-FLOWERING accelerates flowering through physical interactions with phytochrome B and CONSTANS. (2013)
  • Author(s): Endo, M., Y. Tanigawa, T. Murakami, T. Araki and A. Nagatani
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume : 110 Pages : 18017-18022
  • DOI: 10.1073/pnas.1310631110
• [Journal Article] Perforated-tape epidermal detachment (PED): A simple and rapid method for isolating epidermal peels from specific areas of Arabidopsis leaves. (2013)
  • Author(s): Ibata, H., A. Nagatani and N. Mochizuki
  • Journal Title: Ｐｌａｎｔ Ｂｉｏｔeｃｈｎｏｌ. Volume : 30 Pages : 497-502
• [Journal Article] Mutations in the N-terminal flanking region of the blue-light sensing domain LOV2 disrupt its repressive activity on the kinase domain in the Chlamydomonas Phototropin (2012)
  • Author(s): Aihara, Y., T.Yamamoto, K.Okajima, K.Yamamoto, T.Suzuki, S.Tokutomi, K.Tanaka, A.Nagatani
  • Journal Title: J Biol.Chem. Volume : 287 Pages : 9901-9909
  • DOI: 10.1074/jbc.M111.324723
• [Journal Article] Tissue-autonomous promotion of palisade cell development by phototropin 2 in Arabidopsis thaliana (2011)
  • Author(s): Kozuka, T., S-G.Kong, M.Doi, K.Shimazaki, A.Nagatani
  • Journal Title: Plant Cell Volume : 23 Pages : 3684-3695
  • DOI: 10.1105/tpc.111.085852
• [Journal Article] Involvement of auxin and brassinosteroid in the regulation of petiole elongation under the shade (2010)
  • Author(s): Kozuka, T., J.Kobayashi, G.Horiguchi, T.Demura, H.Sakakibara, H.Tsukaya, A.Nagatani
  • Journal Title: Plant Physiol. Volume : 153 Pages : 1608-1618
• [Journal Article] Arabidopsis PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR proteins promote phytochrome B polyubiquitination by COP1 E3 ligase in the nucleus (2010)
  • Author(s): Jang, I.C., R.Henriques, H.S.Seo, A.Nagatani, N.H.Chua
  • Journal Title: Plant Cell Volume : 22 Pages : 2370-2383
• [Journal Article] Subcellular sites of the signal transduction and degradation of phytochrome A (2010)
  • Author(s): Toledo-Ortiz, G., Y.Kiryu, J.Kobayashil, Y.Kim, H.G.Nam, N.Mochizuki, A.Nagatani
  • Journal Title: Plant Cell Physiol Volume : 51 Pages : 1648-1660
• [Presentation] 光刺激に対する遺伝子発現応答の組織／器官特異性 (2014)
  • Author(s): 長谷あきら
  • Organizer: 第55回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 富山
  • Year and Date: 2014-03-18 – 2014-03-20
• [Presentation] Molecular mechanisms for the shade avoidance response (2014)
  • Author(s): Ａ． Ｎａｇａｔａｎｉ
  • Organizer: The 2nd Kyoto-Bristrol Symposium 2014
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2014-01-09 – 2014-01-10
• [Presentation] Plant responses to light mediated by phytochrome (2013)
  • Author(s): Ａ．Ｎａｇａｔａｎｉ
  • Organizer: Swiss-Kyoto Symposium
  • Place of Presentation: Zurich, Switzerland
  • Year and Date: 2013-11-21 – 2013-11-22
• [Presentation] Application of new technologies to the phytochrome study (2013)
  • Author(s): Ａ．Ｎａｇａｔａｎｉ
  • Organizer: The 6th Asia and Oceania Conference on Photobiology
  • Place of Presentation: Sydney, Austalia
  • Year and Date: 2013-11-10 – 2013-11-13
• [Presentation] フィトクロムAのモジュラー構造 (2013)
  • Author(s): 長谷あきら
  • Organizer: 第51回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2013-10-28 – 2013-10-30
• [Presentation] Spatio-temporal regulation of the shade-avoidance response? (2013)
  • Author(s): A. Nagatani
  • Organizer: The 2013 International Symposium on Plant Photobiology
  • Place of Presentation: Edinburgh, UK
  • Year and Date: 2013-06-03 – 2013-06-06
• [Presentation] Modular structure of phytochrome A (2012)
  • Author(s): Akira Nagatani
  • Organizer: The 1st International Symposium on Plant Environmental Sensing
  • Place of Presentation: 東大寺総合文化センター(奈良県)(招待講演)
  • Year and Date: 2012-03-19
• [Presentation] フォトトロピンのLOV2領域・N末端側近傍の変異によりキナーゼ活性の抑制機能が失われる (2012)
  • Author(s): 相原悠介, ほか
  • Organizer: 第53回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 京都産業大学(京都府)
  • Year and Date: 2012-03-17
• [Presentation] Mg-Chelatase Hサブユニット(CHLH/GUN5)の構造・機能解析を中心とした、プラスチドシグナル伝達の解析 (2012)
  • Author(s): 衣幡春映, ほか
  • Organizer: 第53回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 京都産業大学(京都府)
  • Year and Date: 2012-03-16
• [Presentation] フィトクロムAの作用機構の生化学的解析 (2012)
  • Author(s): 後藤一也, ほか
  • Organizer: 第53回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 京都産業大学(京都府)
  • Year and Date: 2012-03-16
• [Presentation] MALDI-FTMSを用いたシロイヌナズナ光応答のメタボローム解析 (2012)
  • Author(s): 小塚俊明, ほか
  • Organizer: 第53回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 京都産業大学(京都府)
  • Year and Date: 2012-03-16
• [Presentation] The molecular mechanism of growth regulation by phytochrome (2011)
  • Author(s): Akira Nagatani
  • Organizer: Strategies of Plants against Global Environmental Change
  • Place of Presentation: 倉敷市芸文館(岡山県)(招待講演)
  • Year and Date: 2011-12-09
• [Presentation] フィトクロムの生理応答の時空間的解析 (2011)
  • Author(s): 長谷あきら
  • Organizer: 第84回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 京都国際会館(京都府)(招待講演)
  • Year and Date: 2011-09-21
• [Presentation] The structural basis for phyA-specific functions (2011)
  • Author(s): Akira Nagatani
  • Organizer: 5th Asia and Oceania Conference for Photobiology
  • Place of Presentation: 奈良県新公会堂(奈良県)(招待講演)
  • Year and Date: 2011-07-31
• [Presentation] Spatio-temporal regulatory network controlling stem elongation under the shade (2011)
  • Author(s): Akira Nagatani
  • Organizer: Interplay of Light, Photoperiodism and Circadian Clock Function in Plant Development
  • Place of Presentation: Barcelona, Spain(招待講演)
  • Year and Date: 2011-05-05
• [Presentation] シロイヌナズナの避陰応答における器官間光シグナル伝達機構の解析 (2010)
  • Author(s): 小林淳子, ほか
  • Organizer: 第16回日本光生物学協会年会
  • Place of Presentation: 大阪大学銀杏会館(大阪府)
  • Year and Date: 2010-08-11
• [Presentation] Structural basis of phytochrome A specific functions (2010)
  • Author(s): Akira Nagatani
  • Organizer: Plant Signalling Mechanisms
  • Place of Presentation: University of Freiburg (Germany)(招待講演)
  • Year and Date: 2010-06-26
• [Remarks]
  • URL: http://esplant.net/index.html
• [Remarks]
  • URL: http://physiol2.bot.kyoto-u.ac.jp/~nagatani/HP3/
• [Remarks]
  • URL: http://esplant.net/index.html
• [Remarks]
  • URL: http://physiol2.bot.kyoto-u.ac.jp/~nagatani/HP3/index.html
• [Remarks] 植物の環境感覚：刺激受容から細胞応答まで
  • URL: http://esplant.net/
• [Remarks] 京都大学大学院理学研究科生物科学専攻植物学系
  • URL: http://www.bot.kyoto-u.ac.jp/j/
• [Remarks] 研究室ホームページ
  • URL: http://physiol2.bot.kyoto-u.ac.jp/HP3/