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Development of cold tolerant tomato through understanding the molecular mechanism of cold stress response

Research Project

Project/Area Number 20H02945
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 38060:Applied molecular and cellular biology-related
Research InstitutionIwate University

Principal Investigator

RAHMAN ABIDUR  岩手大学, 農学部, 准教授 (30447114)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 宮崎 雅雄  岩手大学, 農学部, 教授 (20392144)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
Fiscal Year 2020: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000)
Keywords低温ストレス / 植物 / ホルモン / タンパク質輸送 / GNOM
Outline of Research at the Start

低温ストレスは、世界中の作物生産の減少の主たる原因である。ただし、低温ストレス応答の分子メカニズムはまだ完全には明らかにされてない。我々は、シロイヌナズナを使用して、低温ストレス応答は低分子量GTPアーゼアクチベーターである単一遺伝子GNOMによって制御させていることを明らかにした。GNOM過剰発現変異体は、連続的な低温ストレス下でも成長することができる。植物で高度に保存され、同様の機能を実行するGNOMは、すべての作物に低温耐性を付与するための基盤を確立する。そこで本研究では、植物のGNOM規制低温ストレス応答の包括的な分子メカニズムを解明することを目指している。

Outline of Annual Research Achievements

この研究の目的は、GNOMを中心に低温ストレス反応を調節する分子成分を特定することである。このために、私たちはGNOMの過剰発現と機能ラインを使って間の比較プロテオーム分析を使用さた。プロテオーム解析から、寒冷ストレス反応のいくつかの潜在的な調節タンパク質を特定しました。 寒冷ストレスを調節する重要なタンパク質の1つはアクチンアイソバリアントに関連している。現在、我々は低温ストレス反応の標的タンパク質を機能的に特徴づけている。
トマトの低温ストレス応答におけるGNOM機能を理解するために、トマトのGNOMの特性を調べた。2020年に、トマトのGNOMの2つのアイソバリアントを特徴づけた。 それらは互いに90%の相同性を示し、すべての器官で同様のレベルで発現した。 特定のgRNAプライマーを使用して、SEC7ドメインの3つの場所に変異を導入し植物は組織培養を使用して形質転換され、成長した。また、サンガーシーケンシングにより、植物の変異を確認した。 第一世代の植物の表現型分析を行ったところ、GNOMが植物の発育、追跡、結実に重要な役割を果たしていることが確認された。 3種類のCRISPR変異体はすべて、草丈、葉の発達、果実の形など、さまざまな成長欠陥を示した。
また、国際ジャーナルに3つの論文を掲載された。 さらに、2021年2月8日~11日にかけてオンライン開催された「アメリカ科学振興協会学術集会2021で 本研究室の学生がポスター発表を行い、 細胞生物学部門にてThird Place Winner(3位)に選出された。本研究は、植物の低温ストレス応答における細胞骨格アクチンの働きについて新たな知見を示したもので、概要は世界的に権威のあるサイエンス誌の4月号に掲載された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

研究の進捗は予想通りでした。比較プロテオミクス分析を実行し、寒冷ストレス反応のいくつかの新しい調節因子を特定した。また、低温ストレスにおける同定されたタンパク質の1つの機能的役割を評価するための予備実験を行った。
CRISPR-Cas9技術を使用して、トマトのGNOM遺伝子にも変異を導入した。 第一世代の植物の表現型分析を行ったところ、GNOMが植物の発育、追跡、結実に重要な役割を果たしていることが確認された。 3種類のCRISPR変異体はすべて、草丈、葉の発達、果実の形など、さまざまな成長欠陥を示した。
シロイヌナズナとトマトの両方のホルモン分析のためにLC-MS / MSの方法を最適化された。 ホルモン分析法セットアップ中に、アスコルビン酸を添加するとホルモンの回収率が高くなることが見つかった。 これは新しい発見であり、メソッドペーパーをまもなく公開する予定である。 また、国際ジャーナルに3つの論文を掲載された。

Strategy for Future Research Activity

1.GNOMの過剰発現と機能ラインの喪失における比較プロテオミクス分析の確認: 2020年度には、低温ストレス下でのGNOM過剰発現とGNOM機能低下を用いた比較ショットガンプロテオミクス解析を実行された。 結果を確認するために、今年度はco-IPベースの比較プロテオーム解析を使用する。 これらの2つのアプローチは、GNOMによって特異的に輸送されるタンパク質特定し、低温ストレス反応を調節するタンパク質を識別することができる。これらのタンパク質は、低温ストレス反応をどのように調節するかを理解するために、さらに機能的に特徴付けられる。
2.低温ストレスにおけるアクチニソバリアントの機能的役割の理解:比較プロテオミクス分析から、低温ストレス下で特異的に応答する1つのアクチンアイソバリアントを特定された。このアイソバリアントが低温ストレス応答をどのように調節するかを理解するために、変異体と過剰発現ラインを使用する。 さらに、植物ホルモンオーキシン輸送タンパク質の細胞内輸送はアクチンに依存しているため、どのオーキシン関連タンパク質が低温ストレス経路を調節しているかを調べる。
3.トマトでCRISPR誘発GNOM変異体の開発:2021年度には、GNOM-CRISPR変異体のT2世代の低温ストレス応答をスクリーニングする。さらにHomology Directed Repair (HDR)技術を用いて、GNOMのSEC7ドメインの696の位置でのメチオニンからロイシンへの変異を誘導する実験を実行する。この実験は、GNOMがシロイヌナズナとトマトで同様に機能するかどうかを確認できる。

Report

(1 results)
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(12 results)

All 2021 2020 Other

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 3 results) Presentation (3 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results) Remarks (5 results)

  • [Journal Article] ATP binding cassette proteins ABCG37 and ABCG33 function as potassium-independent cesium uptake carriers in Arabidopsis roots2021

    • Author(s)
      Mohammad Arif Ashraf, Takashi Akihiro, Keita Ito, Sayaka Kumagai, Ryohei Sugita, Keitaro Tanoi, Abidur Rahman
    • Journal Title

      Molecular Plant

      Volume: 14 Pages: 1-15

    • DOI

      10.1016/j.molp.2021.02.002

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Dissecting the Roles of Cuticular Wax in Plant Resistance to Shoot Dehydration and Low-Temperature Stress in Arabidopsis2021

    • Author(s)
      Rahman Tawhidur、Shao Mingxuan、Pahari Shankar、Venglat Prakash、Soolanayakanahally Raju、Qiu Xiao、Rahman Abidur、Tanino Karen
    • Journal Title

      International Journal of Molecular Sciences

      Volume: 22 Pages: 1554-1554

    • DOI

      10.3390/ijms22041554

    • NAID

      120007182948

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Aux/IAA14 Regulates microRNA-Mediated Cold Stress Response in Arabidopsis Roots2020

    • Author(s)
      Aslam Mohammad、Sugita Kenji、Qin Yuan、Rahman Abidur
    • Journal Title

      International Journal of Molecular Sciences

      Volume: 21 Pages: 8441-8441

    • DOI

      10.3390/ijms21228441

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Functional redundancy of plasma membrane aquaporins PIPs under cold acclimation and freezing tolerance in Arabidopsis thaliana.2020

    • Author(s)
      Ahamed A, Kawamura Y, Maeshima M, Rahman A, Uemura M.
    • Journal Title

      Plant and Cell Physiology

      Volume: 61 Pages: 787-802

    • DOI

      10.1093/pcp/pcaa005

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] ACTIN ISOVARIANT ACT8 REGULATES THE COLD RESPONSE IN ARABIDOPSIS ROOT2021

    • Author(s)
      Aya Hanzawa, Abidur Rahman
    • Organizer
      American Association for the Advancement of Science (AAAS) Annual meeting 2021
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] RIC2 AND RIC4 ACT REDUNDANTLY TO REGULATE THE ACTIN MEDIATED DEVELOPMENTAL PROCESS2021

    • Author(s)
      Kenji Sugita, Abidur Rahman
    • Organizer
      American Association for the Advancement of Science (AAAS) Annual meeting 2021
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Using newly discovered cesium and arsenite transporters for phytoremediation2021

    • Author(s)
      Abidur Rahman
    • Organizer
      International Biotech Symposium 2021
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Remarks] AAAS Annual Meeting 2021 でポスター発表3位を受賞

    • URL

      https://www.iwate-u.ac.jp/info/news/2021/04/004038.html

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] AAAS Annual Meeting 2021 でポスター発表2位を受賞

    • URL

      https://www.iwate-u.ac.jp/info/news/2021/04/004037.html

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] セシウム吸収 植物の力 岩手大の准教授ら、タンパク質2種発見

    • URL

      https://www.iwate-np.co.jp/article/2021/2/17/92217

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] 岩手大など、セシウムを効率的に取り込む植物タンパク質を同定

    • URL

      https://tenbou.nies.go.jp/news/jnews/detail.php?i=31325

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] セシウムを効率的に取り込む植物タンパク質を世界で初めて同定

    • URL

      https://www.iwate-u.ac.jp/cat-research/2021/02/003917.html

    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2022-04-19  

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