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Novel solar UVB adaptation strategic mechanism in plants, which have not function of CPD photoreactivation in chloroplast.

Research Project

Project/Area Number 20H04330
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 63020:Radiation influence-related
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

日出間 純  東北大学, 生命科学研究科, 准教授 (20250855)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 寺西 美佳  東北大学, 生命科学研究科, 助教 (10333832)
佐藤 修正  東北大学, 生命科学研究科, 教授 (70370921)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2020: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000)
KeywordsUVB適応戦略 / 光回復酵素 / 葉緑体定位運動 / オートファジー / 葉緑体移行メカニズム / 葉緑体局在機構 / CPD光回復酵素 / 細胞内局在 / 葉緑体移行シグナル / UVB適応機構 / 植物
Outline of Research at the Start

植物のUVB抵抗性に必須のCPD光回復酵素(PHR)は、イネでは核、ミトコンドリア、葉緑体へ移行して機能するのに対して、双子葉植物シロイヌナズナでは葉緑体に移行出来ない。本研究では、葉緑体でPHRが機能出来ない植物が、シロイヌナズナ以外にあるか否かを網羅的に探索し、PHRが葉緑体で機能しない植物は、UVBによる葉緑体障害に対して具体的にどのような戦略で太陽光の下で生きているのか?を、選択的オートファジー機能と葉緑体定位運動に着目し、UVB抵抗性との関連を解析する。そして、PHRの葉緑体局在の有無から見た新たな植物の太陽紫外線UVB防御機構を提唱する。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、主に【研究課題1】CPD光回復酵素の葉緑体局在に関する植物種間差、【研究課題2】細胞内の各オルガネラにおけるUVB誘発CPD量の蓄積と葉緑体活性、およびオートファジー活性との関係、に関して実施した。
課題1では、進化の過程で地上に初めて進出したゼニゴケ、シダ植物のイヌカタヒバ、マメ科植物のダイズ、ミヤコグサ、被子植物のアンボレラ、さらにイネ科のトウモロコシ、コムギ、オオムギのCPD光回復酵素(PHR)を対象に、PHRの細胞内局在を、イネのプロトプラストを用いた一過的発現解析を実施した。その結果、イネ科植物のコムギ、オオムギ、マメ科のミヤコグサ、およびゼニゴケではPHRの葉緑体移行性は確認できたが、他のトウモロコシ、アンボレラ、ヒバでは確認できず、PHRの葉緑体局在には植物種間差が存在する可能性を示した。そこで、PHRのN末端配列と移行性の有無から、葉緑体移行に関与するアミノ酸配列を推測し、さらに推定したアミノ酸を置換したコンストラクトを用いて葉緑体移行性を調べたところ、イネPHRの7番目のセリン、および8,9番のプロリンが葉緑体移行性に強く関わっていることを見出した。
課題2では、PHRの葉緑体局在性の異なるイネとシロイヌナズナを材料に、UVB照射による各オルガネラでのCPDの蓄積、葉緑体活性、およびオートファジー活性との関係を解析した。この解析の途中で、我々は、各オルガネラでのCPDの蓄積は、細胞内での葉緑体の配置が大きく影響を与えるという新たな事実を見出した。特に、PHRが葉緑体に局在しないシロイヌナズナは、イネ以上にダイナミックに紫外線強度に依存して葉緑体配置を変化させて、核DNA上でのCPD蓄積を防御していることを見出した。さらに防御により障害を受けた葉緑体は、積極的にオートファジーにより、液胞へと排除していることも見出した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

コロナの影響により、一部の課題で当初の研究計画よりも遅れが生じたが、研究計画を立案した際の仮説を支持する結果を順調に得ている。また、当初、想定していなかった事実、「これまで青色光依存的な応答であると知られていた葉緑体定位運動が、紫外線に対しても特異的に応答している」という新たな事実を見出した。したがって、研究は、概ね順調に進んでいると判断する。

Strategy for Future Research Activity

【課題1】これまでにイネPHRが葉緑体に移行するするために重要なアミノ酸を見出した。また、PHRが葉緑体に移行する植物は、イネ科および一部の植物にのみ見られる特徴であることが見出された。今後は、この配列を何が認識し、どのような機構で葉緑体へ移行するメカニズムを獲得したのかを明らかにするため、詳細なPHR葉緑体移行の分子メカニズムを明らかにする方針で研究を進める。
【課題2】これまでは、PHRが葉緑体に移行するイネと移行しないシロイヌナズナを用いた解析であった。そこで、今後は、シロイヌナズナ以外でPHRが葉緑体に移行しない植物を材料に、シロイヌナズナ同様に、紫外線により葉緑体の配置を変化させる能力を有するのか?またオートファジー活性が高いのか否か?を解析することで、PHRが葉緑体に移行しない植物のUVB適応機構を考察する方針で研究を進める。
【課題3】我々は、これまでの研究過程で、葉緑体の配置が紫外線環境で変化するという新たな事実を見出した。そこで、これまで青色光依存的に応答する葉緑体定位運動に着目し、種々の葉緑体定位運動の変異体を材料に、UVB特異的な葉緑体応答を明らかにする方針で研究を進める。

Report

(1 results)
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(11 results)

All 2021 2020 Other

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 4 results) Presentation (4 results) Remarks (2 results)

  • [Journal Article] 222 nm ultraviolet radiation C causes more severe damage to guard cells and epidermal cells of Arabidopsis plants than does 254 nm ultraviolet radiation2021

    • Author(s)
      Otake Momo, Okamoto Yoshiyama Kaoru, Yamaguchi Hiroko, Hidema Jun
    • Journal Title

      Photochemical & Photobiological Sciences

      Volume: 20 Pages: 1675-1683

    • DOI

      10.1007/s43630-021-00123-w

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The trade-off between UVB sensitivity and tolerance against other stresses in African rice species2021

    • Author(s)
      MMBANDO Gideon Sadikiel, HIDEMA Jun
    • Journal Title

      TURKISH JOURNAL OF BOTANY

      Volume: 45 Pages: 601-612

    • DOI

      10.3906/bot-2109-38

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Transgenic rice Oryza glaberrima with higher CPD photolyase activity alleviates UVB-caused growth inhibition2021

    • Author(s)
      Mmbando Gideon Sadikiel, Teranishi Mika, Hidema Jun
    • Journal Title

      GM Crops & Food

      Volume: 12 Pages: 435-448

    • DOI

      10.1080/21645698.2021.1977068

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Autophagy-deficient Arabidopsis mutant atg5, which shows ultraviolet-B sensitivity, cannot remove ultraviolet-B-induced fragmented mitochondria2020

    • Author(s)
      Dundar Gonul, Teranishi Mika, Hidema Jun
    • Journal Title

      Photochemical & Photobiological Sciences

      Volume: 19 Pages: 1717-1729

    • DOI

      10.1039/C9PP00479C

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Autophagy Contributes to the Quality Control of Leaf Mitochondria2020

    • Author(s)
      Nakamura Sakuya, Hagihara Shinya, Otomo Kohei, Ishida Hiroyuki, Hidema Jun, Nemoto Tomomi, Izumi Masanori
    • Journal Title

      Plant and Cell Physiology

      Volume: 62 Pages: 229-247

    • DOI

      10.1093/pcp/pcaa162

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] CPD光回復酵素の葉緑体移行に必要なアミノ酸配列の同定2021

    • Author(s)
      大竹桃;小松千春;原遵;寺西美佳;愿山郁;日出間純
    • Organizer
      第62回日本植物生理学会年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] イネにおける2つのUVB光受容体UVR8の機能とUVB抵抗性2021

    • Author(s)
      三浦華子;寺西美佳;日出間純
    • Organizer
      第62回日本植物生理学会年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] ゼニゴケにおけるDNA損傷応答機構2021

    • Author(s)
      愿山郁;坂本智昭;木村成介;日出間純
    • Organizer
      第62回日本植物生理学会年会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 紫外線UVBおよび放射線(X線・炭素線)がゼニゴケの生育に及ぼす影響2021

    • Author(s)
      前田 奈穂子;髙橋 昭久;吉田 由香里;池田裕 子;山之内 佐久也;日出間 純
    • Organizer
      日本宇宙生物科学会第35回大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] 東北大学大学院生命科学研究科分子遺伝生理分野HP

    • URL

      http://www.ige.tohoku.ac.jp/genome/MGP/index.htm

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Remarks] 東北大学大学院生命科学研究科 プレスリリース

    • URL

      https://www.lifesci.tohoku.ac.jp/date/detail---id-50394.html

    • Related Report
      2020 Annual Research Report

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2022-12-28  

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