セルロースを繋ぎ換える新規酵素の発見に基づく細胞壁モデルの再考と新規機能解明

• 研究課題/領域番号: 17H03691
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 植物分子・生理科学
• 研究機関: 神奈川大学 (2019); 東北大学 (2017-2018)
• 研究代表者: 西谷 和彦 神奈川大学, 理学部, 教授 (60164555)
• 研究分担者: 大林 武 東北大学, 情報科学研究科, 准教授 (50397048)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円); 2019年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2018年度: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円); 2017年度: 6,630千円 (直接経費: 5,100千円、間接経費: 1,530千円)
• キーワード: 細胞壁 / XTH / セルロース / プロトプラスト / 細胞壁再生 / キシログルカン / 植物 / 酵素反応 / 植物細胞壁 / 酵素 / 細胞壁モデル / セルロース繋ぎ換え酵素 / CET

研究成果の概要

植物細胞壁中でセルロース微繊維のネットワーク構築メカニズムは今尚未解明である。その解明を目指して、植物界のXTHファミリー内のセルロースエンド型転移酵素の分布をゲノムより解析し、車軸藻類にも存在することを見出した。次に、葉肉細胞のプロトプラスト上での細胞壁再生系を確立し、この方法で、キシログルカン欠損変異体でもセルロース微繊維のネットワークが形成されることを明らかにした。以上の結果から、キシログルカンはセルロースネットワークの初期構築には必須ではなく、セルロースエンドトランスルギーシラーゼが媒介するセルロースネットワークが陸上植物においても役割を果たしている可能性が示唆された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

陸上植物の細胞壁は、植物の発生・分化や成長のみならず、植物の生体防御や寄生、共生における種間の認識、環境との相互作用や摂取など、陸上環境での植物の主要な機能のすべてに関わる細胞装置である。また、陸上植物の細胞壁は、陸上のバイオマスの８割を占める循環型炭素資源であり、その根幹をなすのがセルロース微繊維である。その重要性にも拘らず、細胞壁内でのセルロース微繊維のネットワーク構築メカニズムは今尚未解明のままである。今回の本研究の成果は、この未解明の問題を解明する重要な知見を与えるもので、基礎科学と技術革新の両面において、社会的意義が大きいと考えられる。

研究成果

• [雑誌論文] Xyloglucan is not essential for the formation and integrity of the cellulose network in the primary cell wall regenerated from Arabidopsis protoplasts. (2020)
  • 著者名/発表者名: Kuki, H., Yokoyama, R., Kuroha,T., Nishitani, K.
  • 雑誌名: Plants 巻: 9 号: 5 ページ: 629-629
  • DOI: 10.3390/plants9050629
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Root-knot nematodes modulate cell walls during root-knot formation in Arabidopsis roots. (2020)
  • 著者名/発表者名: Ishida, T., Suzuki, R., Nakagami, S., Kuroha, T., Sakamoto, S., Nakata, M.T., Yokoyama, R., Kimura, S., Mitsuda, N., Nishitani, K., Sawa, S.
  • 雑誌名: J. Plant Res. 巻: 133 号: 3 ページ: 419-428
  • DOI: 10.1007/s10265-020-01186-z
  • NAID: 40022231088
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interspecific signaling between the parasitic plant and the host plants regulate xylem vessel cell differentiation in haustoria of Cuscuta campestris. (2020)
  • 著者名/発表者名: Kaga Y., Yokoyama R., Sano, R., Ohtani, M., Demura, T., Kuroha, T., Shinohara, N., Nishitani, K..
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 11 ページ: 193-193
  • DOI: 10.3389/fpls.2020.00193
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A conserved regulatory mechanism mediates the convergent evolution of plant shoot lateral organs. (2019)
  • 著者名/発表者名: Naramoto S, Jones VAS, Nicola, N, Sato M,Toyooka K, Shimamura M, Ishida S, Nishitani K,Ishizaki K, Nishihama R, Kohchi T, Dolan L, Kyozuka J.
  • 雑誌名: PLoS Biology 巻: 17 号: 12 ページ: 12-12
  • DOI: 10.1371/journal.pbio.3000560
  • NAID: 120006813343
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Pectin RG-I rhamnosyltransferases represent a novel plant-specific glycosyltransferase family (2018)
  • 著者名/発表者名: Takenaka Yuto、Kato Kohei、Ogawa-Ohnishi Mari、Tsuruhama Kana、Kajiura Hiroyuki、Yagyu Kenta、Takeda Atsushi、Takeda Yoichi、Kunieda Tadashi、Hara-Nishimura Ikuko、Kuroha Takeshi、Nishitani Kazuhiko、Matsubayashi Yoshikatsu、Ishimizu Takeshi
  • 雑誌名: Nature Plants 巻: 4 号: 9 ページ: 669-676
  • DOI: 10.1038/s41477-018-0217-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ethylene-gibberellin signaling underlies adaptation of rice to periodic flooding (2018)
  • 著者名/発表者名: T Kuroha, K Nagai, R Gamuyao, D R Wang, T Furuta, M Nakamori, T Kitaoka, K Adachi, A Minami, Y Mori, K Mashiguchi, Y Seto, S Yamaguchi, M Kojima, H Sakakibara, J Wu, K Ebana, N Mitsuda, M Ohme-Takagi, S Yanagisawa, M Yamasaki, R Yokoyama, K Nishitani, T Mochizuki, G Tamiya, S R McCouch, and M Ashikari
  • 雑誌名: Science 巻: 361 号: 6398 ページ: 181-186
  • DOI: 10.1126/science.aat1577
  • NAID: 120006529624
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 新規酵素、エンド型セルロース転移酵素(CET)を用いた高機能性セルロース素材作出の可能性について (2018)
  • 著者名/発表者名: 西谷和彦
  • 雑誌名: 紙パルプ技術タイムス 巻: 61 ページ: 63-68
  • NAID: 40021417711
• [雑誌論文] セルロース分子を繋ぎ換える酵素の発見 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西谷和彦
  • 雑誌名: バイオサイエンスとインダストリー 巻: 76 ページ: 42-43
• [雑誌論文] The plant cell-wall enzyme AtXTH3 catalyses covalent cross-linking between cellulose and cello-oligosaccharide (2017)
  • 著者名/発表者名: Shinohara, N.; Sunagawa, N.; Tamura, S.; Yokoyama, R.; Ueda, M.; Igarashi, K.; Nishitani, K.
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 7 号: 1 ページ: 46099-46099
  • DOI: 10.1038/srep46099
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Arabinogalactan proteins accumulate in the cell walls of searching hyphae of the stem parasitic plants, Cuscuta campestris and Cuscuta japonica. (2017)
  • 著者名/発表者名: Hozumi A, Bera S, Fujiwara D, Obayashi T, Yokoyama R, Nishitani K, Aoki K
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 58 号: 11 ページ: 1868-1877
  • DOI: 10.1093/pcp/pcx121
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Insights into Land Plant Evolution Garnered from the Marchantia polymorpha Genome. (2017)
  • 著者名/発表者名: Bowman J, Kouchi T,..(106名）..Yokoyama R, ..(4名)
  • 雑誌名: Cell 巻: 171 号: 2 ページ: 287-304
  • DOI: 10.1016/j.cell.2017.09.030
  • NAID: 120006353839
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Quantitative confocal imaging method for analyzing cellulose dynamics during cell-wall regeneration in Arabidopsis mesophyll protoplasts. (2017)
  • 著者名/発表者名: Kuki H, Higaki T, Yokoyama R, Kuroha T, Shinohara N, Hasezawa S, Nishitani K
  • 雑誌名: Plant Direct 巻: 1 号: 6 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1002/pld3.21
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Involvement of Xyloglucan Endotransglucosylase/Hydrolase in Plant Freezing Tolerance (2019)
  • 著者名/発表者名: Takahashi,D., Sampathkumar,A., Yokoyama, R., Kuroha,T., Nishitani, K., Zuther,E., Hincha,D.K.
  • 学会等名: 第60回日本植物生理学会年会
• [学会発表] ゼニゴケにおける Endoglucanase16 の機能解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石田光南,黒羽剛,石崎公庸,檜垣匠,楢本悟史,横山隆亮,小竹敬久,西谷和彦
  • 学会等名: 第60回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 炭素イオンビームによる寄生植物ネナシカズラ属の変異体ライブラリ作製 (2018)
  • 著者名/発表者名: 横山隆亮，加賀悠樹，加藤萌木，古井瑛恵，黒羽剛，西谷和彦，佐藤勝也、大野豊
  • 学会等名: 高崎サイエンスフェスタ2018
• [学会発表] 基部陸上植物における細胞壁酵素(GH16)の進化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 石田光南，黒羽剛，石崎公庸，檜垣匠，楢本悟史，横山隆亮，西谷和彦
  • 学会等名: 第41回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 細胞壁再生イメージング解析法によるキシログルカンの機能解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 九鬼寛明，横山隆亮，黒羽剛，西谷和彦
  • 学会等名: 東北植物学会第8回大会
• [学会発表] イネ強稈化に関わる量的形質遺伝子座qGF1の機能解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 保浦徳昇，黒羽 剛，西谷和彦，北野英己
  • 学会等名: イネ遺伝学・分子生物学ワークショップ
• [学会発表] 寄生植物ネナシカズラのゲノムから読解く生命戦略 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西谷和彦
  • 学会等名: イネ遺伝学・分子生物学ワークショップ
• [学会発表] 長期的な洪水に適応した浮きイネの起源とその栽培化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 黒羽 剛, Diane Wang, Susan R. McCouch, 横山隆亮, 西谷和彦, 芦苅基行
  • 学会等名: 日本育種学会第134回講演会
• [学会発表] 寄生植物 アメリカネナシカズラの花成制御におけるFTの機能 (2018)
  • 著者名/発表者名: 加藤萌木，横山隆亮，黒羽剛，大林武，阿部光知，西谷和彦
  • 学会等名: 日本植物学会第82回大会
• [学会発表] 植物種間情報伝達を介したアメリカネナシカズラ吸器における維管束新生機構の探索 (2018)
  • 著者名/発表者名: 加賀悠樹，大林武，横山隆亮，黒羽剛，大谷美沙都，出村拓，西谷和彦
  • 学会等名: 日本植物学会第82回大会
• [学会発表] 浮イネにおけるジベレリン合成を介した洪水への適応戦略 (2018)
  • 著者名/発表者名: 黒羽剛，増口潔，瀬戸義哉，山口信次郎，横山隆亮，西谷和彦
  • 学会等名: 日本植物学会第82回大会
• [学会発表] 植物細胞壁の再編酵素群の機能とその応用の可能性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 西谷和彦
  • 学会等名: 植物バイオの先端技術（１）セミナー植物バイオ研究会
• [学会発表] Molecular insights into changes of the extracellular matrix during cold and sub-zero acclimation (2018)
  • 著者名/発表者名: Takahashi,D., Sampathkumar,A., Erban,A., Gorka,M., Kopka,J., Graf,A., Yokoyama, R., Kuroha,T., Nishitani, K., Zuther,E., Hincha,D.K.
  • 学会等名: 11th International Plant Cold Hardiness Seminar
  • 国際学会
• [学会発表] 新規糖転移酵素ファミリーGT106を構成するぺクチン生合成酵素の機能解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 竹中悠人，加藤耕平，小川(大西)真里，鶴浜加奈，梶浦裕之，柳生健太，竹田篤史，武田陽一，國枝 正，西村いくこ，黒羽 剛，西谷和彦，松林嘉克，石水 毅
  • 学会等名: 第19回関西グライコサイエンスフォーラム
• [学会発表] Insight into strategies for plant-plant parasitism in Cuscuta campestris based on genome sequencing. (2018)
  • 著者名/発表者名: Narukawa, H., Yokoyama, R., Obayashi, T., Kaga, Y., Kato, M., Kuroha, T., Nishitani, K.
  • 学会等名: 第59回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 洪水環境に適応した浮イネの進化におけるジベレリン合成遺伝子の関与 (2018)
  • 著者名/発表者名: 黒羽剛，ダイアンワン，スーザンマッコーチ，横山隆亮，西谷和彦，芦苅基行
  • 学会等名: 第59回日本植物生理学会年会
• [学会発表] アメリカネナシカズラのゲノム解読による寄生植物の適応進化メカニズムの解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 横山隆亮，大林武，鳴川秀樹，加賀悠樹，加藤萌木，黒羽剛，西谷和彦
  • 学会等名: 第59回日本植物生理学会年会
• [学会発表] アメリカネナシカズラが持つ付着器の形成に関与する遺伝子の探索 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤原大輝，横山隆亮，西谷和彦，青木考
  • 学会等名: 第59回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Apoplastic and symplastic interactions between parasitic plants and host plants (2017)
  • 著者名/発表者名: Aoki, K., Hozumi, A., Ekawa, M., Shimizu, K., Yokoyama, R., Nishitani, K.
  • 学会等名: 14th World Congress on Parasitic Plants Asilomar USA
  • 国際学会
• [学会発表] 植物細胞壁ペクチン成分ラムノガラクツロナンIの生合成に関与するラムノース転移酵素遺伝子の同定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 加藤耕平,西谷和彦,石水毅 他
  • 学会等名: 第36回日本糖質学会年会
• [学会発表] ネナシカズラのゲノムから読み解く茎寄生の生命戦略 (2017)
  • 著者名/発表者名: 西谷和彦，横山隆亮，大林武 他
  • 学会等名: 日本植物学会第81回大会
• [学会発表] 比較ゲノム解析から見えてきた茎寄生植物ネナシカズラの形態形成メカニズム (2017)
  • 著者名/発表者名: 横山隆亮，大林武，鳴川秀樹，加賀悠樹，加藤萌木，黒羽剛，西谷和彦
  • 学会等名: 日本植物学会第81回大会
• [学会発表] 浮きイネの深水応答機構における進化的考察 (2017)
  • 著者名/発表者名: 黒羽剛，Wang Diane，Gamuyao Rico ，永井啓祐， 横山隆亮，西谷和彦，McCouch Susan R. ，芦苅基行
  • 学会等名: 日本植物学会第81回大会
• [学会発表] 茎寄生植物ネナシカズラにおける宿主由来エチレンを介した吸器発生メカニズム (2017)
  • 著者名/発表者名: 鳴川秀樹，加賀悠樹，横山隆亮，黒羽剛，西谷和彦
  • 学会等名: 日本植物学会第81回大会
• [学会発表] 細胞壁イメージングと新規の酵素機能の解析に基づく新しい細胞壁高次構造モデルの提案 (2017)
  • 著者名/発表者名: 九鬼寛明，桧垣匠，篠原直貴，横山隆亮，黒羽剛，三上慎吾，馳澤盛一郎，西谷和彦
  • 学会等名: 日本植物学会第81回大会
• [学会発表] 異なる光条件におけるペクチン分解酵素過剰発現イネを用いたオリゴガラクツロン酸誘導性病害応答 (2017)
  • 著者名/発表者名: 竹内春樹，木村郷子，小原崇司，佐藤淳也，中村敦子，出崎能丈，渋谷直人，賀来華江，横山隆亮，西谷和彦，南栄一，佐藤忍，岩井宏暁
  • 学会等名: 日本植物学会第81回大会
• [学会発表] Parasitic Plant－Host Interactions Control Endoreduplication-Mediated Cell Expansion During Haustorial Development of the Holoparasitic Plant, Cuscuta Campestris (2017)
  • 著者名/発表者名: Narukawa H., Kaga Y., Takeshi Kuroha T, Yokoyama R., Nishitani K.
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Quantitative Imaging Approaches to Mechanisms of Cell Wall Construction Using Arabidopsis Mesophyll Protoplasts (2017)
  • 著者名/発表者名: Kuki H., Higaki T., Yokoyama R., Kuroha T, Hasezawa S., Nishitani K.
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2017
  • 国際学会
• [学会発表] A Model for the Molecular Mechanism of Vascular Development in the Haustorium of the Parasitic Plant Cuscuta Campestris. (2017)
  • 著者名/発表者名: Kaga Y., Obayashi T., Yokoyama R., Nishitani K.
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Elucidation of the molecular mechanisms controlling flowering in the stem parasitic plant Cuscuta campestris. (2017)
  • 著者名/発表者名: Kato M., Yokoyama R., Kuroha T., Abe M., Nishitani K.
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Exploring the function of cellulose end transglycosilase (CET) in plants (2017)
  • 著者名/発表者名: Mikami S., Kuroha T., Shinohara N., Yokoyama R., Nishitani K.
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2017
  • 国際学会
• [学会発表] 浮きイネにおける洪水への適応とその進化および栽培化 (2017)
  • 著者名/発表者名: 黒羽剛，Diane Wang，Susan R. McCouch，横山隆亮，西谷和彦，芦苅基行
  • 学会等名: 東北植物学会
• [学会発表] Cell Wall-Related Gene Families in Land Plants (2017)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama R., Kuroha T., Kuki H., Shinohara N., Mikami S., Nishitani K.
  • 学会等名: 第65回NIBBコンファレンス
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] 農林バイオマス資源と地域利活用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 近藤始彦・荒井裕美子・趙鋭・西谷和彦
  • 総ページ数: 419
  • 出版者: 養賢堂
• [図書] 植物生理学・発生学 第６版 (2017)
  • 著者名/発表者名: 西谷和彦・島崎研一郎（監訳）
  • 総ページ数: 832
  • 出版者: 講談社
• [備考] 神奈川大学理学部
  • URL: https://www.sci.kanagawa-u.ac.jp/bio/faculty_member.html
• [備考] 東北大学 西谷研究室
  • URL: http://www.biology.tohoku.ac.jp/lab-www/nishitani_lab/
• [備考] 東北大学大学院生命科学研究科植物細胞壁機能分野
  • URL: http://www.biology.tohoku.ac.jp/lab-www/nishitani_lab/