単離細胞解析に基づくニチニチソウ葉組織二次代謝機構の解明とその再構築

• Project/Area Number: 14J03616
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Plant molecular biology/Plant physiology
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 山本 浩太郎 神戸大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥3,200,000 (Direct Cost: ¥3,200,000); Fiscal Year 2016: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 二次代謝 / アルカロイド / メタボロミクス / トランスクリプトミクス / 薬用植物 / 異形細胞 / 乳管細胞

Outline of Annual Research Achievements

ニチニチソウはVinblastineやVincristineなどの抗がん剤となるTerpenoid indole alkaloid（TIA）をはじめとして、様々な二次代謝産物を生産することで著名な薬用植物である。ニチニチソウのTIA合成は、一連の合成過程が一つの細胞内で完結せず、茎組織や葉組織において葉肉細胞、表皮細胞など様々な細胞を経由して進むことが報告されている。特に異形細胞（Idioblast cell）や乳管細胞（Laticifer cell）で重要なTIA代謝過程が進み、合成された最終産物が異形細胞や乳管細胞の液胞に蓄積されると考えられているが、これらの細胞内や細胞間における二次代謝の分子機構は十分に理解されていない。
本研究では、ニチニチソウ葉組織と茎組織における細胞レベルでのTIA分布を解明するために、一細胞質量分析技術や質量顕微鏡を用いたメタボローム解析を試みた。その結果、CatharanthineやStrictosidineなど、これまで想定されていなかったTIAが異形細胞や乳管細胞に局在していることが明らかになった。また、一細胞質量分析技術を用いて葉原基の乳管細胞に局在する代謝物の解析を進めたところ、展開した葉組織や茎組織の異形細胞や乳管細胞と異なるTIAの蓄積が見られた。この結果は、これまで同種の細胞と考えられてきた異形細胞や乳管細胞でも、組織もしくは発生ステージによってTIA代謝分化が変化している可能性を示唆している。さらに、TIA代謝で重要な役割を果たしていると考えられる異形細胞を中心に、皮層細胞、異形細胞、茎組織全体のそれぞれでRNA-seq解析を行った。これまで報告されているTIA合成酵素遺伝子の検出と共に異形細胞特異的に発現している遺伝子の候補を複数挙げることにも成功した。現在、これらの一連の成果をまとめた論文原稿を作成している。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] チューリッヒ大学(スイス)
• [Journal Article] Cadmium-induced changes in vacuolar aspects of Arabidopsis thaliana. (2017)
  • Author(s): Shanti S. Sharma, Kotaro Yamamoto, Kohei Hamaji, Miwa Ohnishi, Aya Anegawa, Shashi Sharma, Sveta Thakur, Vijay Kumar, Tomohiro Uemura, Akihiko Nakano, Tetsuro Mimura
  • Journal Title: Plant Physiol Biochem. Volume: 114 Pages: 29-37
  • DOI: 10.1016/j.plaphy.2017.02.017
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 2)Cell-specific localization of alkaloids in Catharantus roseus stem tissue measured with Imaging MS and Single cell MS (2016)
  • Author(s): K.Yamamoto, K.Takahashi, H.Mizuno, A.Anegawa, K.Ishizaki, H.Fukaki, M.Ohnishi, M.Yamazaki, T.Masujima, T.Mimura
  • Journal Title: Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States of America Volume: 113 Issue: 14 Pages: 3891-3896
  • DOI: 10.1073/pnas.1521959113
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Localization of small molecules in plant tissues visualized by an imaging mass spectrometer. (in Japanese) (2016)
  • Author(s): Katsutoshi Takahashi, Aya Anegawa, Miwa Ohnishi, Kotaro Yamamoto, Kimitsune Ishizaki, Hidehiro Fukaki and Tetsuro Mimura
  • Journal Title: Plant Morphology. Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Terpenoid indole alkaloid metabolism in Catharanthus roseus idioblast and laticifer cells (2017)
  • Author(s): Kotaro Yamamoto, Miwa Ohnishi, Katsutoshi Takahashi, Hajime Mizuno, Kimitsune Ishizaki, Mami Yamazaki, Hidehiro Fukaki, Tsutomu Masujima, Tetsuro Mimura
  • Organizer: 第58回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] Molecular components of vacuoles and their possible functions in plant cells (2017)
  • Author(s): Tetsuro Mimura, Miwa Ohnishi, Aya Anegawa, Kotaro Yamamoto, Yuko Kurita, Katsuhisa Yoshida
  • Organizer: 第58回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 鹿児島大学
  • Year and Date: 2017-03-16
• [Presentation] 細胞別メタボローム解析が明らかにしたニチニチソウTIA代謝 (2016)
  • Author(s): 山本浩太郎, 高橋勝利, 水野初, 大西美輪, 姉川彩, 石崎公庸, 山崎真巳, 深城英弘, 升島努, 三村徹郎
  • Organizer: 第10回メタボロームシンポジウム
  • Place of Presentation: 鶴岡メタボロームキャンパス
  • Year and Date: 2016-10-19
  • Invited
• [Presentation] シロイヌナズナ培養細胞のメタボロミクス・メタロミクス解析 (2016)
  • Author(s): 姉川彩, 大西美輪, 山本浩太郎, 溝渕勝男, Shanti S. Sharma, 三村徹郎
  • Organizer: 第10回メタボロームシンポジウム
  • Place of Presentation: 鶴岡メタボロームキャンパス
  • Year and Date: 2016-10-19
• [Presentation] ニチニチソウ異形細胞におけるTIA代謝分化機構の解析 (2016)
  • Author(s): 山本浩太郎, 高橋勝利, 水野初, 大西美輪, 江崎剛史, 石崎公庸, 深城英弘, 山崎真巳, 升島努, 三村徹郎
  • Organizer: 日本植物学会第80回大会
  • Place of Presentation: 沖縄コンベンションセンター
  • Year and Date: 2016-09-16
• [Presentation] ニチニチソウ異形細胞におけるTIA代謝機構の解析 (2016)
  • Author(s): 山本浩太郎, 大西美輪, 高橋勝利, 水野初, 江崎剛史, 石崎公庸, 山崎真巳, 深城英弘, 升島努, 三村徹郎
  • Organizer: 第57回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岩手大学（岩手県盛岡市）
  • Year and Date: 2016-03-18
• [Presentation] 木本植物の心材形成時における栄養塩回収機構の解析 (2016)
  • Author(s): 真鍋瞬, 栗田悠子, 馬場啓一, 山本浩太郎, 高橋勝利, 大西美輪, 小菅桂子, 石崎公庸, 深城英弘, 三村徹郎
  • Organizer: 第57回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 岩手大学（岩手県盛岡市）
  • Year and Date: 2016-03-18
• [Presentation] 木本植物の心材形成時における栄養塩回収機構の解析 (2015)
  • Author(s): 真鍋瞬, 栗田悠子, 馬場啓一, 山本浩太郎, 高橋勝利, 大西美輪, 小菅桂子, 七條千津子, 石崎公庸, 深城英弘, 三村徹郎
  • Organizer: 若手フロンティア研究発表会2015
  • Place of Presentation: 神戸大学（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2015-12-25
• [Presentation] ニチニチソウ組織におけるTerpenoid indole alkaloidの合成と蓄積機構の解明 (2015)
  • Author(s): 山本浩太郎, 大西美輪, 姉川彩, 高橋勝利, 水野初, 村上明男, 石崎公庸, 山崎真巳, 深城英弘, 升島努, 三村徹郎
  • Organizer: 日本植物学会第79回大会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ：新潟コンベンションセンター（新潟県新潟市）
  • Year and Date: 2015-09-06
• [Presentation] 植物組織における低分子量物質分布の質量顕微鏡による可視化 (2015)
  • Author(s): 三村徹郎, 姉川彩, 大西美輪, 山本浩太郎, 石崎公庸, 深城英弘, 高橋勝利
  • Organizer: 日本植物学会第79回大会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ：新潟コンベンションセンター（新潟県新潟市）
  • Year and Date: 2015-09-06
• [Presentation] ランタナの花色変化における生理課程解析 (2015)
  • Author(s): 桑原大季, 山本浩太郎, 大西美輪, 七條千津子, 水野初, 石崎公庸, 深城英弘, 升島努, 三村徹郎
  • Organizer: 日本植物学会第79回大会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ：新潟コンベンションセンター（新潟県新潟市）
  • Year and Date: 2015-09-06
• [Presentation] ニチニチソウ茎組織におけるTerpenoid indole alkaloidの分布解析 (2015)
  • Author(s): 山本浩太郎、大西美輪、姉川彩、高橋勝利、水野初、七條千津子、石崎公庸、山崎真巳、深城英弘、升島努、三村徹郎
  • Organizer: 第56回日本植物生理学会年会
  • Place of Presentation: 東京農業大学 世田谷キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-16 – 2015-03-18
• [Presentation] Cell-specific localization of terpenoid indole alkaloids revealed by new metabolome analyses (2015)
  • Author(s): Kotaro YAMAMOTO, Miwa OHNISHI, Aya ANEGAWA, Katsutoshi TAKAHASHI, Hajime MIZUNO, Chizuko SHICHIJO, Kimitsune ISHIZAKI, Mami YAMAZAKI, Hidehiro FUKAKI, Tsutomu MASUJIMA, Tetsuro MIMURA
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Plant Environmental Sensing
  • Place of Presentation: AIST Tokyo Waterfront, Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2015-03-13 – 2015-03-15
• [Presentation] Novel metabolome analyses of terpenoid indole alkaloids in Catharanthus roseus (2014)
  • Author(s): Kotaro YAMAMOTO, Miwa Ohnishi, Aya Anegawa, Katsutoshi Takahashi, Tetsushi Iwasaki, Hajime Mizuno, Mami Yamazaki, Tsutomu Masujima, Tetsuro Mimura
  • Organizer: THE 38th NAITO CONFERENCE ON Molecule-based biological systems
  • Place of Presentation: Chateraise Gateaux Kingdom Sapporo, Hokkaido, Japan
  • Year and Date: 2014-10-07 – 2014-10-10