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

• 研究領域: マルチモードオートファジー：多彩な経路と選択性が織り成す自己分解系の理解
• 研究課題/領域番号: 19H05713
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 明治大学
• 研究代表者: 吉本 光希 明治大学, 農学部, 専任教授 (40399316)
• 研究分担者: 海老根 一生 基礎生物学研究所, 細胞動態研究部門, 助教 (90590399)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 66,820千円 (直接経費: 51,400千円、間接経費: 15,420千円); 2023年度: 13,000千円 (直接経費: 10,000千円、間接経費: 3,000千円); 2022年度: 13,000千円 (直接経費: 10,000千円、間接経費: 3,000千円); 2021年度: 13,000千円 (直接経費: 10,000千円、間接経費: 3,000千円); 2020年度: 11,960千円 (直接経費: 9,200千円、間接経費: 2,760千円); 2019年度: 15,860千円 (直接経費: 12,200千円、間接経費: 3,660千円)
• キーワード: 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

研究開始時の研究の概要

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。

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

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。

今後の研究の推進方策

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。

研究成果

• [国際共同研究] アルゼンチン国立農牧技術院(アルゼンチン)
• [国際共同研究] フランス国立農学研究所(フランス)
• [国際共同研究] アルゼンチン国立農牧技術院(アルゼンチン)
• [国際共同研究] フランス国立農学研究所(フランス)
• [国際共同研究] 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)
• [雑誌論文] Intracellular phosphate recycling systems for survival during phosphate starvation in plants (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshitake, Y. and Yoshimoto, K.
  • 雑誌名: Front. Plant Sci. 巻: 13
  • DOI: 10.3389/fpls.2022.1088211
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pexophagy suppresses ROS-induced damage in leaf cells under high-intensity light (2022)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 7 号: 1 ページ: 7493-7493
  • DOI: 10.1038/s41467-022-35138-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Autophagy triggered by iron mediated ER stress is an important stress response to the early phase of Pi starvation in plants (2022)
  • 著者名/発表者名: Yushi Yoshitake, Daiki Shinozaki, Kohki Yoshimoto
  • 雑誌名: The Plant Journal 巻: 110 号: 5 ページ: 1370-1381
  • DOI: 10.1111/tpj.15743
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The role of reticulophagy under early phase phosphate starvation in plant cells. (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshitake, Y., and Yoshimoto, K.
  • 雑誌名: Autophagy Rep. 巻: 1 号: 1 ページ: 256-259
  • DOI: 10.1080/27694127.2022.2089511
• [雑誌論文] Autophagy balances the zinc-iron seesaw caused by Zn-stress. (2021)
  • 著者名/発表者名: Shinozaki, D., and Yoshimoto, K.
  • 雑誌名: Trends Plant Sci. 巻: 26 号: 9 ページ: 822-884
  • DOI: 10.1016/j.tplants.2021.06.014
  • 査読あり
• [雑誌論文] A proposed role for endomembrane trafficking processes in regulating tonoplast content and vacuole dynamics under ammonium stress conditions in Arabidopsis root cells. (2021)
  • 著者名/発表者名: Robert, G., Yagyu, M., Lascano, R., Masclaux-Daubresse, C., and Yoshimoto, K.
  • 雑誌名: Plant Signal. Behav. 巻: 16 号: 9 ページ: 1924977-1924977
  • DOI: 10.1080/15592324.2021.1924977
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Ammonium stress increases microautophagic activity while impairing macroautophagic flux in Arabidopsis roots (2021)
  • 著者名/発表者名: Robert, G., Yagyu, M., Koizumi, T., Naya, L., Masclaux-Daubresse, C., and Yoshimoto, K.
  • 雑誌名: Plant J. 巻: 105 号: 4 ページ: 1083-1097
  • DOI: 10.1111/tpj.15091
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Importance of non-systemic leaf autophagy for suppression of zinc starvation induced-chlorosis (2020)
  • 著者名/発表者名: Shinozaki, D., Notaguchi, M., and Yoshimoto, K.
  • 雑誌名: Plant Signal. Behav. 巻: 15 号: 5 ページ: 1-4
  • DOI: 10.1080/15592324.2020.1746042
  • 査読あり
• [雑誌論文] Editorial: Organelle autophagy in plant development (2020)
  • 著者名/発表者名: Izumi, M., Yoshimoto, K., and Batoko H.
  • 雑誌名: Front. Plant Sci. 巻: 11 ページ: 1-2
  • DOI: 10.3389/fpls.2020.00502
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] RCB-mediated chlorophagy caused by oversupply of nitrogen suppresses phosphate-starvation stress in plants (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshitake Yushi、Nakamura Sakuya、Shinozaki Daiki、Izumi Masanori、Yoshimoto Kohki、Ohta Hiroyuki、Shimojima Mie
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: 185 ページ: 318-330
  • DOI: 10.1093/plphys/kiaa030
  • 査読あり
• [雑誌論文] Autophagy increases zinc bioavailability to avoid light-mediated reactive oxygen species production under zinc deficiency. (2020)
  • 著者名/発表者名: 6.Shinozaki D, Merkulova A. E, Naya L, Horie T, Kanno Y, Seo M, Ohsumi Y, Masclaux-Daubresse C, *Yoshimoto K.
  • 雑誌名: Plant Physiol. 巻: 182 号: 3 ページ: 1284-296
  • DOI: 10.1104/pp.19.01522
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 植物の必須栄養素から考える植物オートファジーの重要性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉本光希
  • 雑誌名: 生化学 巻: 91 号: 5 ページ: 652-658
  • DOI: 10.14952/SEIKAGAKU.2019.910652
  • ISSN: 0037-1017
  • 年月日: 2019-10-25
  • 査読あり
• [雑誌論文] Autophagy and nutrients management in plants. (2019)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Cells 巻: 8 号: 11 ページ: 1426-1426
  • DOI: 10.3390/cells8111426
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 只木亮哉、黒崎智史、井上和也、篠崎大樹、吉本光希
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 吉竹悠宇志、吉本光希
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 篠崎大樹、吉本光希
  • 学会等名: 第33回日本微量元素学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] Wide-range zinc homeostasis management via autophagy in plants (2022)
  • 著者名/発表者名: Shinozaki D., and Yoshimoto K.
  • 学会等名: The 10th International Symposium on Autophagy
  • 国際学会
• [学会発表] Exploring factors involved in plant-specific microautophagy driven by vacuolar membrane dynamics (2022)
  • 著者名/発表者名: Yagyu M., and Yoshimoto K.
  • 学会等名: The 10th International Symposium on Autophagy
  • 国際学会
• [学会発表] Excess supply of nitrate induces chlorophagy under phosphate starvation in plants (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshitake Y., and Yoshimoto K.
  • 学会等名: The 10th International Symposium on Autophagy
  • 国際学会
• [学会発表] Autophagy is important for adaptation to calcium deficiency in plants (2022)
  • 著者名/発表者名: Davoudi Pahnekolayi M., Shinozaki D., Yoshimoto K.
  • 学会等名: The 10th International Symposium on Autophagy
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 柳生真子、吉本光希
  • 学会等名: 日本分子生物学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 篠崎大樹、吉本光希
  • 学会等名: 日本植物学会
• [学会発表] 植物におけるミクロオートファジー関連因子の探索 (2021)
  • 著者名/発表者名: 柳生真子、吉本光希
  • 学会等名: 日本植物学会
• [学会発表] オートファジーと概日時計間の相互作用の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 齋藤由花、藤森梢、吉本光希
  • 学会等名: 日本植物学会
• [学会発表] リン酸リサイクルにおけるオートファジーの重要性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 吉竹悠宇志、吉本光希
  • 学会等名: 日本植物生理学会年会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 吉本光希
  • 学会等名: 日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 吉本光希
  • 学会等名: 植物オルガネラワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] 主根伸長における小胞体局在SNAREタンパク質の役割 (2020)
  • 著者名/発表者名: 吉竹悠宇志，早坂渉，吉本光希
  • 学会等名: 日本植物生理学会年会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 篠崎大樹，Ekaterina Merkulova，Loreto Naya，Celine Masclaux-Daubresse，吉本光希
  • 学会等名: 日本植物生理学会年会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 篠崎 大樹, Ekaterina A. Merkulova, Loreto Naya, 堀江 哲郎, 大隅 良典, Celine Masclaux-Daubresse, 吉本 光希
  • 学会等名: 植物の栄養研究会
• [学会発表] カルス形成におけるオートファジーの役割 (2019)
  • 著者名/発表者名: 宇津木優樹，岩瀬哲，吉本光希
  • 学会等名: オートファジー研究会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 吉本光希
  • 学会等名: オートファジー研究会
• [学会発表] Physiological roles of autophagy under Zn deficiency in plants. (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshimoto, K.
  • 学会等名: International Conference on Food Factors
  • 国際学会 / 招待講演