植物の低温馴化過程における温度と青色光の認識機構

• 研究課題/領域番号: 17H03961
• 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: 応用分子細胞生物学
• 研究機関: 岩手大学
• 研究代表者: 上村 松生 岩手大学, 農学部, 教授 (00213398)
• 研究分担者: 河村 幸男 岩手大学, 農学部, 准教授 (10400186)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2020年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2019年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2018年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2017年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
• キーワード: 低温馴化 / 低温シグナル / 光シグナル / 凍結耐性 / シロイヌナズナ / プロテオーム / 凍結傷害

研究成果の概要

本研究は、野外の複雑な環境下において植物が温度と光信号をどのように受容し細胞内に伝達したのち凍結耐性を獲得するのかを総括的に理解すること目指して実施された。シロイヌナズナ野生型と光受容体欠損体を用いた結果は、低温馴化期間に与えた光の波長によって凍結耐性の獲得が異なっていること、温度と光に加えて波長の異なる光間の相互作用が見られることなどが明らかになった。また、低温暴露後、短期間に起こるタンパク質リン酸化の動的状態を網羅的に明らかにした。他に得られた低温馴化・脱馴化過程に起こる生理学的・プロテオーム変動に関する知見と併せ、複雑な植物の凍結耐性獲得機構の理解を進めることができた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

植物の低温応答機構に関する研究は単一環境因子（主に温度）に焦点を絞ったものが多い。しかし、地球規模での気候変動が顕著になってきている現在においても低温・凍結による農作物被害が頻発していることを考慮するとより複雑な環境を制御して野外での低温応答機構を理解する研究を展開することは必須である。光と温度を組み合わせ実施された本研究による成果は、その二つの環境因子間の複雑な相互作用の一端を明らかにし、さらに、低温に植物が応答する基盤的知識を充実することができたことから、植物生理学分野への学問的貢献に加えて有用作物の野外での温度+光環境に対応した分子育種にも重要な基盤的情報が提供できたものと考えられる。

研究成果

• [国際共同研究] CSIC(スペイン)
• [国際共同研究] University of Saskatchewan/Queen's University(カナダ)
• [国際共同研究] 吉林大学/浙江大学(中国)
• [国際共同研究] Centre for Agricultural Research(ハンガリー)
• [国際共同研究] Jilin University(中国)
• [国際共同研究] University of Saskatchewan/Queen's University(カナダ)
• [国際共同研究] Max-Planck Institute at Potsdam(ドイツ)
• [国際共同研究] University of Saskatchewan/Queen's University(カナダ)
• [国際共同研究] Max-Planck Institute at Potsdam(ドイツ)
• [国際共同研究] University of Saskatchewan(Canada)
• [国際共同研究] CSIC-EEAD, Zaragosa(Spain)
• [雑誌論文] Effects of Fe and Mn deficiencies on the root protein profiles of tomato (Solanum lycopersicum) using two-dimensional electrophoresis and label-free shotgun analyses (2022)
  • 著者名/発表者名: Ceballos-Laita L, Takahashi D, Uemura M, Abadia J, Lopez-Millan AF, Rodriguez-Celma J.
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 23 号: 7 ページ: 3719-3719
  • DOI: 10.3390/ijms23073719
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 過冷却保存がカット西洋ナシの品質保持にもたらす効果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 大須賀玲，小出章二，安倍侑野，折笠貴寛，上村松生
  • 雑誌名: 日本食品科学工学会誌 巻: 68 号: 12 ページ: 455-463
  • DOI: 10.3136/nskkk.68.455
  • NAID: 130008132264
  • ISSN: 1341-027X, 1881-6681
  • 年月日: 2021-12-15
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 常圧凍結乾燥におけるカットダイコンの含水率変化および乾燥・復水後の品質に関する基礎的研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小出章二，西沢佳恵，大須賀玲，折笠貴寛，上村松生
  • 雑誌名: 日本食品科学工学会誌 巻: 68 号: 12 ページ: 464-470
  • DOI: 10.3136/nskkk.68.464
  • NAID: 130008132263
  • ISSN: 1341-027X, 1881-6681
  • 年月日: 2021-12-15
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of the blue light-cryptochrome system on the early process of cold acclimation process of Arabidopsis thaliana. (2021)
  • 著者名/発表者名: Imai H, Kawamura Y, Nagatani A, Uemura M.
  • 雑誌名: Environmental and Experimental Botany 巻: 183 ページ: 104340-104340
  • DOI: 10.1016/j.envexpbot.2020.104340
  • 査読あり
• [雑誌論文] In planta monitoring of cold-responsive promoter activity reveals new insight into cold acclimation (2021)
  • 著者名/発表者名: Tominaga Y, Uemura M, Kawamura Y.
  • 雑誌名: Plant & Cell Physiology 巻: 62 号: 1 ページ: 43-52
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa138
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quality and microbial evaluation of fresh-cut apples during 10 days of supercooled storage. (2021)
  • 著者名/発表者名: Osuga R, Koide S, Sakurai M, Orikasa T, Uemura M
  • 雑誌名: Food Control 巻: 126 ページ: 108014-108014
  • DOI: 10.1016/j.foodcont.2021.108014
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Brachypodium distachyon cold-acclimated plasma membrane proteome is primed for stress resistance. (2021)
  • 著者名/発表者名: Juurakko CL, Bredow M, Nakayama T, Imai H, Kawamura Y, diCenzo GC, Uemura M, Walker VK.
  • 雑誌名: G3: Genes, Genomes, Genetics 巻: 11 号: 9
  • DOI: 10.1093/g3journal/jkab198
  • NAID: 120007181841
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 植物が温度ノイズの中から冬を感知するメカニズム (2021)
  • 著者名/発表者名: 開勇人，上村松生，河村幸男
  • 雑誌名: 細胞 巻: 53 ページ: 232-235
  • NAID: 40022573705
• [雑誌論文] Plant-derived smoke enhances plant growth through ornithine-synthesis pathway and ubiquitin-proteasome pathway in soybean (2020)
  • 著者名/発表者名: Zhong Z, Kobayashi T, Zhu W, Imai H, Zhao R, Ohno T, Rehman S, Uemura M, Tian J, Komatsu S.
  • 雑誌名: Journal of Proteomics 巻: 221 ページ: 103781-103781
  • DOI: 10.1016/j.jprot.2020.103781
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Assessing the supercooling of fresh-cut onions at -5°C using electrical impedance analysis. (2020)
  • 著者名/発表者名: Koide S, Yoneyama A, Orikasa T, Uemura M.
  • 雑誌名: Food Quality and Safety 巻: 4 号: 2 ページ: 55-58
  • DOI: 10.1093/fqsafe/fyz044
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A single seed treatment mediated through reactive oxygen species increases germination, growth performance, and abiotic stress tolerance in Arabidopsis and rice. (2020)
  • 著者名/発表者名: Kamal Md M, Erazo C, Tanino KK, Kawamura Y, Kasuga J, Laarveld B, Olkowski A, Uemura M.
  • 雑誌名: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry 巻: 84 号: 12 ページ: 2597-2608
  • DOI: 10.1080/09168451.2020.1808444
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Decreased R:FR ratio in the incident white light affects the composition of barley leaf lipidome and freezing tolerance in a temperature dependent manner (2020)
  • 著者名/発表者名: Kovacs T, Ahres M, Palmai T, Kalapos B, Kovacs L, Uemura M, Crosatti C, Galiba G
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 21 号: 20 ページ: 8863-8863
  • DOI: 10.3390/ijms21207557
  • NAID: 120007181847
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Large scale phosphoproteomic study of Arabidopsis membrane proteins reval early signaling events in response to cold (2020)
  • 著者名/発表者名: Kamal MM, Ishikawa S, Takahashi F, Suzuki K, Kamo M, Umezawa T, Shinozaki K, Kawamura Y, Uemura M
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 21 ページ: 8631-8631
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effects of manganese toxicity on the protein profile of tomato (Solanum lycopersicum) xylem sap as revealed by shotgun analyses. (2020)
  • 著者名/発表者名: Ceballos-Laita L, Gutierrez-Carbonell E, Takahashi D, Abadia A, Uemura M, Abadia J, Lopez-Millan AF.
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 21 号: 22 ページ: 8863-8863
  • DOI: 10.3390/ijms21228863
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 植物の低温感知と馴化の制御：植物の冬季感知の理解に向けて (2020)
  • 著者名/発表者名: 開勇人，上村松生，河村幸男
  • 雑誌名: 生物物理 巻: 60 号: 2 ページ: 098-101
  • DOI: 10.2142/biophys.60.098
  • NAID: 130007818364
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
• [雑誌論文] Plasma membrane proteome analyses of Arabidopsis suspension cultured cells (T87 line) associated with freezing tolerance and growth phase. (2020)
  • 著者名/発表者名: Li B, Takahashi D, Kawamura Y, Uemura M.
  • 雑誌名: Journal of Proteomics 巻: 211 ページ: 103528-103528
  • DOI: 10.1016/j.jprot.2019.103528
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Regulation of sugar and storage oil metabolism by phytochrome during de-etiolation (2020)
  • 著者名/発表者名: Kozuka, T., Sawada, Y., Imai, H., Kanai, M., Yokota-Hirai, M., Mano, S., Uemura, M., Nishimura, M., Kusaba, M., and Nagatani, A.
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: 182 号: 2 ページ: 1114-1129
  • DOI: 10.1104/pp.19.00535
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Functional redundancy of plasma membrane aquaporins PIPs under cold acclimation and freezing tolerance in Arabidopsis thaliana. (2020)
  • 著者名/発表者名: Ahamed A, Kawamura Y, Maeshima M, Rahman A, Uemura M.
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 61 号: 4 ページ: 787-802
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa005
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 過冷却保存されたカットホウレンソウの電気的，生理学的評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小出章二，大須賀玲，折笠貴寛，上村松生
  • 雑誌名: 日本食品科学工学会誌 巻: 66 号: 9 ページ: 335-340
  • DOI: 10.3136/nskkk.66.335
  • NAID: 130007715825
  • ISSN: 1341-027X, 1881-6681
  • 年月日: 2019-09-15
  • 査読あり
• [雑誌論文] Season specificity in the cold‐induced calcium signal and the volatile chemicals in the atmosphere (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiraki Hayato、Watanabe Manabu、Uemura Matsuo、Kawamura Yukio
  • 雑誌名: Physiologia Plantarum 巻: 168 号: 4 ページ: 803-818
  • DOI: 10.1111/ppl.13019
  • 査読あり
• [雑誌論文] Survival of cut cabbage subjected to subzero temperatures (2019)
  • 著者名/発表者名: Koide S., Kumada R., Hayakawa K., Kawakami I., Orikasa T., Katahira M., Uemura M.
  • 雑誌名: Acta Horticulturae 巻: 1256 号: 1256 ページ: 329-334
  • DOI: 10.17660/actahortic.2019.1256.46
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Temporal proteomics of Arabidopsis plasma membrane during cold- and de-acclimation (2019)
  • 著者名/発表者名: Miki Y, Takahashi D, Kawamura Y, Uemura M.
  • 雑誌名: Journal of Proteomics 巻: 197 ページ: 71-81
  • DOI: 10.1016/j.jprot.2018.11.008
  • 査読あり
• [雑誌論文] Freeze-substitution transmission electron microscopy of gentian shoot tips cryopreserved at ultra low temperatures (2018)
  • 著者名/発表者名: Tanaka D, Niino T, Fujikawa S, Uemura M
  • 雑誌名: Ｐｌａｎｔ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 巻: 35 号: 4 ページ: 335-340
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.18.0718a
  • NAID: 130007599207
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • 年月日: 2018-12-25
  • 査読あり
• [雑誌論文] Calcium Signaling-Linked CBF/DREB1 Gene Expression was Induced Depending on the Temperature Fluctuation in the Field: Views from the Natural Condition of Cold Acclimation (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiraki Hayato、Uemura Matsuo、Kawamura Yukio
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 60 号: 2 ページ: 303-317
  • DOI: 10.1093/pcp/pcy210
  • 査読あり
• [雑誌論文] Proteomic and FTIR-FPA analysis of the apoplast reveal cold acclimation response in the winter wheat crown tissues (2018)
  • 著者名/発表者名: Willick IR, Takahashi D, Fowler B, Uemura M, Tanino KT
  • 雑誌名: Journal of Experimental Botany 巻: 69 号: 5 ページ: 1221-1234
  • DOI: 10.1093/jxb/erx450
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 植物はどのようにして季節変化を知る？：低温馴化制御と光受容体フィトクロムの役割 (2018)
  • 著者名/発表者名: 金谷真希, 冨永陽子，開勇人，上村松生，河村幸男
  • 雑誌名: 低温生物工学会誌 巻: 64
  • 査読あり
• [雑誌論文] Plasma membrane proteomics of Arabidosis suspension cultured cells associated with growth phase using Nano-LC-MS/MS (2017)
  • 著者名/発表者名: Li B, Takahashi D, Kawamura Y, Uemura M
  • 雑誌名: Methods in Molecular Biology 巻: 1696 ページ: 185-194
  • DOI: 10.1007/978-1-4939-7411-5_12
  • ISBN: 9781493974092, 9781493974115
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Plasma membrane proteomics in plant cold hardiness research. (2021)
  • 著者名/発表者名: Uemura M, Imai H, Kamal MM, Kondo M, Li B, Miki Y, Minami A, Takahashi d, Yago K, Kawamura Y.
  • 学会等名: 12th International Plant Cold Hardiness Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 野外でのシロイヌナズナの凍結耐性の季節的変遷と機械学習によるその予測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 河村幸男，上村松生
  • 学会等名: 第85回日本植物学会大会
• [学会発表] 低温誘導性カルシウムシグナルとカルシウムチャネルMCAの関与 (2021)
  • 著者名/発表者名: 加藤旦，上村松生，河村幸男
  • 学会等名: 東北植物学会第11回大会
• [学会発表] 低温馴化が小胞体およびアクチンフィラメントに及ぼす影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田村海妃，上村松生，河村幸男
  • 学会等名: 東北植物学会第11回大会
• [学会発表] フィトクロムを介した日長および温度による低温誘導性遺伝子の発現制御とその解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 笠松勇登，上村松生，河村幸男
  • 学会等名: 東北植物学会第11回大会
• [学会発表] 光を介した低温馴化プロセスにおけるクリプトクロムの役割 (2021)
  • 著者名/発表者名: 下平基，高橋亜未，上村松生，河村幸男
  • 学会等名: 東北植物学会第11回大会
• [学会発表] 植物の環境適応機構における細胞膜の重要性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 上村松生
  • 学会等名: 日本植物学会第84回大会
  • 招待講演
• [学会発表] G-CaMP による低温誘導性カルシウムイオン動態の観察 (2020)
  • 著者名/発表者名: 加藤旦，上村松生，河村幸男
  • 学会等名: 東北植物学会第10回大会
• [学会発表] 氷点下温度と凍結がもたらす馴化と耐凍性へのその影 (2020)
  • 著者名/発表者名: 高橋俊介，上村松生，河村幸男
  • 学会等名: 東北植物学会第10回大会
• [学会発表] Comparative phosphoproteomic study of Arabidopsis microsomal membrane fraction in response to cold treatment. (2020)
  • 著者名/発表者名: Kamal MM, Ishikawa S, Takahashi F, Shinozaki K, Umezawa T, Kawamura Y, Uemura M.
  • 学会等名: International Symposium on Environmental Response Mechanisms in Plants and Animals
• [学会発表] 植物の冬の感知と秋から冬にかけての気温と日長の特徴的な変化． (2020)
  • 著者名/発表者名: 河村幸男，上村松生．
  • 学会等名: 第61回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Tissue-specific changes in the apoplastic and intracellular proteome during sub-zero acclimation of winter wheat and rye crowns. (2019)
  • 著者名/発表者名: Willick IR, Uemura M, Fowler DB, Tanino KK.
  • 学会等名: Plant Canada 2019
• [学会発表] Tolerance to freezing stress in plants: importance in the era of global climate change. (2019)
  • 著者名/発表者名: Uemura M.
  • 学会等名: 4th International Symposium on Innovation in Plant and Food Sciences
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Freezing stress tolerance in plants: importance in the era of global climate change. (2019)
  • 著者名/発表者名: Uemura M.
  • 学会等名: Joint Seminar of UGAS-Hannover University
  • 国際学会
• [学会発表] Temporal changes of Arabidopsis plasma membrane proteome during cold- and de-acclimation (2019)
  • 著者名/発表者名: M. Uemura
  • 学会等名: Seminar Series of the Molecular & Cellular Integrative Biology, Queen’s University
  • 招待講演
• [学会発表] 常緑広葉樹における野外低温への応答傾向 (2019)
  • 著者名/発表者名: 佐々木彩乃，上村松生，河村幸男
  • 学会等名: 第60回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 低温誘導性カルシウムシグナルの季節性と大気中の揮発性化学物質 (2019)
  • 著者名/発表者名: 開勇人，渡邉学，上村松生，河村幸男
  • 学会等名: 日本植物生理学会年会
• [学会発表] Effect of temperature fluctuating cold acclimation on freezing tolerance: focusing on the role of calcium ion. (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiraki H, Liu N, Wang J, Stobbs J, Karunakaran C, Tanino K, Uemura M, Kawamura Y.
  • 学会等名: 11th International Plant Cold Hardiness Seminar
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] シロイヌナズナの野生型純系統間における、自然環境を再現した温度振動を伴う低温馴化処理の効果の検証 (2018)
  • 著者名/発表者名: 236.開勇人, Karen Tanino, 上村松生, 河村幸男
  • 学会等名: 第63回低温生物工学会大会
  • 国際学会
• [学会発表] 植物の凍結耐性獲得における日長と気温日較差の影響 (2018)
  • 著者名/発表者名: 金谷真希，冨永陽子，開勇人，上村松生，河村幸男
  • 学会等名: 農業気象学会北海道支部2018年大会
• [学会発表] 植物の寒冷適応機構の理解を目指して (2018)
  • 著者名/発表者名: 上村松生，今井裕之，開勇人，金谷真希，佐々木彩乃，河村幸男
  • 学会等名: 第129回日本森林学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] Interactions of temperature and light signals in plant cold acclimation for survival in changing environment (2017)
  • 著者名/発表者名: Imai H, Kanaya M, Ogata M, Kawamura Y, Uemura M
  • 学会等名: VICEA Conference on Plant Growth, Nutrition & Environment Interaction III
  • 国際学会
• [学会発表] Temperature and light signals in cold acclimation and freezing tolerance (2017)
  • 著者名/発表者名: Imai H, Kanaya M, Ogata M, Kawamura Y, Uemura M
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Time-dependent manner of the involvement of blue light and cryptochrome in cold acclimation process (2017)
  • 著者名/発表者名: Imai H, Kawamura Y, Nagatani A, Uemura M
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Different features of field cold acclimation between deciduous and evergreen broad-leaved trees (2017)
  • 著者名/発表者名: Sasaki A, Shirahata M, Uemura M, Kawamura Y
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2017
  • 国際学会
• [学会発表] 植物の低温馴化と細胞外凍結に対する耐性機構の制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 上村松生
  • 学会等名: 第62回低温生物工学会大会・セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] 植物はどのようにして季節変化を知る？：低温馴化制御と光受容体フィトクロムの役割. (2017)
  • 著者名/発表者名: 金谷真希, 冨永陽子, 上村松生, 河村幸男
  • 学会等名: 第62回低温生物工学会大会・セミナー
• [学会発表] 植物はどうやって冬を知る？：光受容体PHYBの役割 (2017)
  • 著者名/発表者名: 金谷真希，冨永陽子，上村松生，河村幸男
  • 学会等名: 東北植物学会第7回大会
• [学会発表] 植物の低温馴化中における季節依存的なCa2+シグナルの役割 (2017)
  • 著者名/発表者名: 開勇人，冨永陽子，上村松生，河村幸男
  • 学会等名: 東北植物学会第7回大会
• [図書] Plant Proteomics: Concept and Applications (2021)
  • 著者名/発表者名: Sakata K, Imai H, Zhu W, Tian J, Uemura M, Komatsu S.
  • 総ページ数: 18
  • 出版者: Discovery Publishing Group
  • ISBN: 9789388854771
• [図書] Methods in Molecular Biology (Plant Proteomics: Methods and Protocols), 3rd Ed (2020)
  • 著者名/発表者名: Takahashi D, Li B, Nakayama T, Kawamura Y, Uemura M
  • 総ページ数: 18
  • 出版者: Springer Science+Business Media, LLC
  • ISBN: 9781071605271
• [図書] Methods in Molecular Biology (Plant Cold Acclimation: Methods and Protocols), 2nd Ed (2020)
  • 著者名/発表者名: Kamal MM, Takahashi D, Nakayama T, Miki Y, Kawamura Y, Uemura M.
  • 総ページ数: 16
  • 出版者: Springer Science+Business Media, LLC
  • ISBN: 9781071606599
• [図書] Survival Strategies in Extreme Cold and Desiccation: Adaptation Mechanisms and Their Applications (2018)
  • 著者名/発表者名: Iwaya-Inoue M, Sakurai M, Uemura M. (Ed)
  • 総ページ数: 409
  • 出版者: Springer
  • ISBN: 9789811312434