植物の生長を規定するピロリン酸濃度の調節機構の分子生物学的解明

• 研究課題/領域番号: 16K18687
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 応用生物化学
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 瀬上 紹嗣 名古屋大学, 生命農学研究科, 研究員 (00765935)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2018年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2017年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円); 2016年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: ピロリン酸 / 糖代謝 / 細胞壁 / 窒素 / シロイヌナズナ / 液胞膜プロトンポンプ / ピロリン酸代謝 / 細胞壁形成 / 植物 / 生理学

研究成果の概要

ピロリン酸(PPi)は核酸や細胞壁など生物に必須の物質を合成する際に発生する副産物であり、常に除去しなくてはならない。しかし、植物ではPPi利用酵素が複数存在するため比較的高い濃度が保たれているが、その濃度調節機構は明らかではなかった。申請者らはPPiの分解は膜輸送体である液胞膜H+-ピロホスファターゼが主に行い、すべての生物に備わる可溶性ピロホスファターゼは補助的な役割を果たすことを明らかにした。窒素源の違いによりPPiの産生量が変動する現象の発見、根端コルメラ細胞に特徴的なデンプン蓄積にPPiの蓄積が関与することなど、PPi代謝に関わる多面的な解析を展開している。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ピロリン酸(PPi)はすべての生物に存在する基本代謝物質である。植物ではPPiが生長調節因子、またエネルギードナーとして働いていることが考えられるが、PPiの濃度調節は合成側ではなく分解酵素であるH+-PPaseとsPPaseが主に担うことを明らかにした。遺伝子破壊株を用いた解析によりPPi濃度は糖代謝を変動させ、細胞壁・デンプン・貯蔵油脂の含量が変化することを見出した。これらの知見から、様々な細胞が持つ固有の代謝要求を満たすためPPi濃度がそれぞれの細胞に応じて調節されている可能性を検証しており、道半ばではあるがその証拠を掴みつつある。以降の研究により実証を目指している。

研究成果

• [国際共同研究] ハイデルベルグ大学(ドイツ)
• [国際共同研究] ハイデルベルグ大学(ドイツ)
• [雑誌論文] Polar vacuolar distribution is essential for accurate asymmetric division ofArabidopsiszygotes (2019)
  • 著者名/発表者名: Kimata Yusuke、Kato Takehide、Higaki Takumi、Kurihara Daisuke、Yamada Tomomi、Segami Shoji、Morita Miyo Terao、Maeshima Masayoshi、Hasezawa Seiichiro、Higashiyama Tetsuya、Tasaka Masao、Ueda Minako
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 116 号: 6 ページ: 2338-2343
  • DOI: 10.1073/pnas.1814160116
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Vacuolar H(+)-pyrophosphatase and cytosolic soluble pyrophosphatases cooperatively regulate pyrophosphate levels in Arabidopsis thaliana. (2018)
  • 著者名/発表者名: Segami, S., Tomoyama, T., Sakamoto, S., Gunji, S., Fukuda, M., Kinoshita, S., Mitsuda, N., Ferjani, A., and Maeshima, M.
  • 雑誌名: The Plant Cell 巻: 30 号: 5 ページ: 1040-1061
  • DOI: 10.1105/tpc.17.00911
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Biochemical, structural, and physiological characteristics of vacuolar H(+)-pyrophosphatase. (2018)
  • 著者名/発表者名: Segami, S., Asaoka, M., Kinoshita, S., Fukuda, M., Nakanishi, Y., and Maeshima, M.
  • 雑誌名: Plant & Cell Physiology 巻: 59 ページ: 1300-1308
  • DOI: 10.1093/pcp/pcy054
  • NAID: 120006529619
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Functionally redundant LNG3 and LNG4 genes regulate turgor-driven polar cell elongation through activation of XTH17 and XTH24 (2018)
  • 著者名/発表者名: Lee, Y.K., Rhee, J., Lee, S.H., Chung, G.C., Park, S.J., Segami, S., Maeshima, M., and Choi, G.
  • 雑誌名: Plant Molecular Biology 巻: In press 号: 1-2 ページ: 23-36
  • DOI: 10.1007/s11103-018-0722-0
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Vacuolar H+-pyrophosphatase and Cytosolic Soluble Pyrophosphatases Cooperatively Regulate Pyrophosphate Levels in Arabidopsis thaliana (2018)
  • 著者名/発表者名: Segami, S., Tomoyama, T., Sakamoto, S., Gunji, S., Fukuda, M., Kinoshita, S., Mitsuda, N., Ferjani, A., and Maeshima, M.
  • 雑誌名: The Plant Cell 巻: 30
  • 査読あり
• [雑誌論文] Biochemical, structural, and physiological characteristics of vacuolar H+-pyrophosphatase. (2018)
  • 著者名/発表者名: Segami, S., Asaoka, M., Kinoshita, S., Fukuda, M., Nakanishi, Y., and Maeshima, M.
  • 雑誌名: Plant & Cell Physiology 巻: 59
  • NAID: 120006529619
  • 査読あり
• [雑誌論文] Functionally redundant LNG3 and LNG4 genes regulate turgor-driven polar cell elongation mediated by activation of XTH gene family. (2018)
  • 著者名/発表者名: Lee, Y.K., Rhee, J.Y., Chung, G.C., Park, S.J., Segami, S., Maeshima, M., Choi, G., Chung, W.I.
  • 雑誌名: Plant Molecular Biology 巻: なし
• [雑誌論文] Lack of H+-pyrophosphatase causes developmental damage in Arabidopsis leaves in ammonia-free culture medium. (2016)
  • 著者名/発表者名: Fukuda, M., Segami, S., Tomoyama, T., Nakanishi, Y., Gunji, S., Ferjani, A., and Maeshima, M.
  • 雑誌名: Frontiers of Plant Science 巻: 6 ページ: 819-819
  • DOI: 10.3389/fpls.2016.00819
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Contribution of PPi-hydrolyzing function of vacuolar H+-pyrophosphatase in vegetative growth of Arabidopsis: Evidenced by expression of uncoupling mutated enzymes. (2016)
  • 著者名/発表者名: Asaoka, M., Segami, S., Ferjani, A., and Maeshima, M.
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Research 巻: 7 ページ: 415-415
  • DOI: 10.3389/fpls.2016.00415
  • NAID: 120005868253
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A novel-type phosphatidylinositol phosphate-interactive, Ca-binding protein PCaP1 in Arabidopsis thaliana: stable association with plasma membrane and partial involvement in stomata closure. (2016)
  • 著者名/発表者名: Nagata, C., Miwa, C., Tanaka, N., Kato, M., Suito, M., Tsuchihira, A., Sato, Y., Segami, S. and Maeshima, M.
  • 雑誌名: Journal of Plant Research 巻: In press 号: 3 ページ: 539-550
  • DOI: 10.1007/s10265-016-0787-2
  • NAID: 120005868252
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 代謝の変動によるピロリン酸の濃度変化はピロホスファターゼの協働により抑制される (2020)
  • 著者名/発表者名: Shoji Segami, Mayu Fukuda, Marika Mieda, Takaaki Tomoyama, Satoru Kinoshita, Ali Ferjani, Masayoshi Maeshima
  • 学会等名: 第61回植物生理学会年会
• [学会発表] GFP やTagRFP によるオイルボディ、液胞の形態と植物生長への人為的影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 瀬上 紹嗣，木下 悟，島田 貴士，嶋田 知生，西村 いくこ，前島 正義
  • 学会等名: 日本植物学会第83回大会
• [学会発表] GFP やTagRFP によるオイルボディ、液胞の形態と植物生長への人為的影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 瀬上 紹嗣，木下 悟，島田 貴士，嶋田 知生，西村 いくこ，前島 正義
  • 学会等名: 第60回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シロイヌナズナにおける初期胚のライブイメージング (2019)
  • 著者名/発表者名: 植田 美那子，木全 祐資，田中 小百合，加藤 壮英，桧垣 匠，栗原 大輔，山田 朋美，安藤 奈央惠，森田（寺尾）美代，瀬上 紹嗣，前島 正義，馳澤 盛一郎，桑田 啓子，佐藤 綾人，鈴木 孝征，東山 哲也，田坂 昌生
  • 学会等名: 第60回日本植物生理学会年会
• [学会発表] ピロリン酸が根端コルメラ細胞のデンプン蓄積に与える影響の解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 木下悟、瀬上紹嗣、前島正義
  • 学会等名: 第60回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シロイヌナズナのコルメラ細胞におけるピロリン酸分解酵素の生理的重要性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 木下悟、瀬上紹嗣、前島正義
  • 学会等名: 日本植物学会第82回大会
• [学会発表] 液胞膜H+-ピロホスファターゼと可溶性ピロホスファターゼが協働してピロリン酸レベルを調節する (2018)
  • 著者名/発表者名: 瀬上紹嗣、巴山貴晶、坂本真吾、郡司玄、福田茉由、木下悟、Ali Ferjani、前島正義
  • 学会等名: 日本植物学会第82回大会
• [学会発表] ピロリン酸が植物の形態形成と成長に与える影響の分子生物学的解析. (2018)
  • 著者名/発表者名: 福田茉由、瀬上紹嗣、Ali Ferjani、前島正義
  • 学会等名: 日本農芸化学会大会
• [学会発表] GFP等の融合タグによるオルガネラ形態と生長への人為的影響 (2018)
  • 著者名/発表者名: 瀬上紹嗣、木下悟、島田貴士、嶋田知生、西村いくこ、前島正義
  • 学会等名: 日本植物生理学会年会
• [学会発表] Physiological Importance of Pyrophosphatases in Lateral Nectary of Arabidopsis thaliana. (2018)
  • 著者名/発表者名: 木下悟、瀬上紹嗣、前島正義
  • 学会等名: 日本植物生理学会年会
• [学会発表] Physiological importance of gene suppression of H+-pyrophosphatase in columella cells of Arabidopsis thaliana. (2017)
  • 著者名/発表者名: 木下悟、瀬上紹嗣、前島正義
  • 学会等名: 日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 鹿児島大学
  • 年月日: 2017-03-16
• [学会発表] Contribution of soluble and H+ translocating pyrophosphatases to pyrophosphate homeostasis. (2017)
  • 著者名/発表者名: 巴山貴晶、瀬上紹嗣、前島正義
  • 学会等名: 日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 鹿児島大学
  • 年月日: 2017-03-16
• [学会発表] Lack of H+-pyrophosphatase prompts developmental damage in Arabidopsis leaves on ammonia-free (2016)
  • 著者名/発表者名: Fukuda, M., Segami, S., Asaoka, M., Gunji, S., Ferjani, A., and Maeshima, M.
  • 学会等名: 17th International Workshop on Plant Membrane Biology
  • 発表場所: Annapolis, Maryland, USA
  • 年月日: 2016-06-05
  • 国際学会
• [学会発表] Dual functions of vacuolar H+-pyrophosphatase: vacuolar acidification and PPi homeostasis. (2016)
  • 著者名/発表者名: Maeshima M, Segami S, Fukuda M, Asaoka M, Ferjani A
  • 学会等名: 17th International Workshop on Plant Membrane Biology
  • 発表場所: Annapolis, Maryland, USA
  • 年月日: 2016-06-05
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dynamics of vacuoles and H+-pyrophosphatase visualized by monomeric green fluorescent protein in Arabidopsis. (2016)
  • 著者名/発表者名: Segami, S. and Maesima, M.
  • 学会等名: 17th International Workshop on Plant Membrane Biology
  • 発表場所: Annapolis, Maryland, USA
  • 年月日: 2016-06-05
  • 国際学会
• [備考] 小さなエネルギー分子の代謝の仕組みを発見！～植物のピロリン酸代謝は2種類の酵素が協働～
  • URL: http://www.nagoya-u.ac.jp/about-nu/public-relations/researchinfo/upload_images/20180625_agr_1.pdf