フォトトロピンによる気孔開口制御ネットワークの解明

• 研究課題/領域番号: 18H02468
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分44030:植物分子および生理科学関連
• 研究機関: 山口大学
• 研究代表者: 武宮 淳史 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (80448406)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 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: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2019年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2018年度: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
• キーワード: フォトトロピン / 気孔 / 青色光 / シグナル伝達 / タンパク質リン酸化 / 気孔開口

研究成果の概要

気孔は光に応答して開口し光合成に必要な二酸化炭素の取り込みを促進する。青色光受容体キナーゼであるフォトトロピンは、BLUS1キナーゼのリン酸化を介して細胞膜H+-ATPaseの活性化し、気孔開口の駆動力を形成する。本研究では、BLUS1キナーゼの詳細な活性調節機構を明らかにするとともに、光による気孔開口にはBLUS1を介したH+-ATPaseの活性化に加え、光合成による葉内CO2濃度の低下が必須であることを示した。また、フォトトロピンが気孔開口のみならず気孔閉鎖を誘導し、気孔開度を厳密に制御すること示した。さらにオートファジーが活性酸素の恒常性を制御し、気孔開口を支えることを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究ではこれまで未解明であった光シグナルと光合成による相乗的な気孔開口のメカニズムに加え、フォトトロピンによる気孔閉鎖やオートファジーによる気孔開口制御など、これまで想像されていなかった気孔開閉制御機構の存在を初めて示した。今回見出された新たな気孔開閉制御のメカニズムを分子レベルで解明することで、高い生産性や環境適応能力を備えた農作物の開発に繋がり、将来的に地球規模での環境・食料・エネルギー問題の解決に貢献することが期待される。

研究成果

• [国際共同研究] ETH Zurich(スイス)
• [国際共同研究] University of Glasgow(英国)
• [国際共同研究] Henan University(中国)
• [雑誌論文] A BLUS1 kinase signal and a decrease in intercellular CO2 concentration are necessary for stomatal opening in response to blue light (2021)
  • 著者名/発表者名: Hosotani Sakurako、Yamauchi Shota、Kobayashi Haruki、Fuji Saashia、Koya Shigekazu、Shimazaki Ken-ichiro、Takemiya Atsushi
  • 雑誌名: The Plant Cell 巻: - ページ: 1813-1827
  • DOI: 10.1093/plcell/koab067
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] CIPK23 regulates blue light-dependent stomatal opening in Arabidopsis thaliana. (2020)
  • 著者名/発表者名: 1.Inoue S, Kaiserli E, Zhao X, Waksman T, Takemiya A, Okumura M, Takahashi H, Seki M, Shinozaki K, Endo Y, Sawasaki T, Kinoshita T, Zhang X, Christie JM, Shimazaki K
  • 雑誌名: The Plant Journal 巻: 104 号: 3 ページ: 679-692
  • DOI: 10.1111/tpj.14955
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Guard Cell Starch Degradation Yields Glucose for Rapid Stomatal Opening in Arabidopsis (2020)
  • 著者名/発表者名: Flutsch Sabrina、Wang Yizhou、Takemiya Atsushi、Vialet-Chabrand Silvere R. M.、Klejchov Martina、Nigro Arianna、Hills Adrian、Lawson Tracy、Blatt Michael R.、Santelia Diana
  • 雑誌名: The Plant Cell 巻: 32 号: 7 ページ: 2325-2344
  • DOI: 10.1105/tpc.18.00802
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Autophagy controls reactive oxygen species homeostasis in guard cells that is essential for stomatal opening (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamauchi, S., Mano, S., Oikawa, K., Hikino, K., Teshima, M.K., Kimori, Y., Nishimura, M., Shimazaki, K., and Takemiya, A.
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 巻: 116 号: 38 ページ: 19187-19192
  • DOI: 10.1073/pnas.1910886116
  • 査読あり
• [学会発表] 青色光による気孔開口には BLUS1を介したH+-ATPaseの活性化と光合成による葉内CO2濃度の低下が必要である (2021)
  • 著者名/発表者名: 細谷桜子, 山内翔太, 小林遥貴, 冨士彩紗, 古屋繁一, 島崎研一郎, 武宮淳史
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会
• [学会発表] 青色光によるBEC1のリン酸化は孔辺細胞のデンプン分解を誘導し気孔開口を促進する (2021)
  • 著者名/発表者名: 山内翔太, 杉山直幸, 島崎研一郎, 武宮淳史
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会
• [学会発表] amiRNAスクリーニングによるフォトトロピン情報伝達の新規制御因子の同定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 三藤有紗, 小林遥貴, 松本理緒, 武宮淳史
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会
• [学会発表] 青色光による気孔開口におけるBLUS1キナーゼドメインの機能解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 冨士彩紗, 田原京佳, 山内翔太, 細谷桜子, 岡島公司, 島崎研一郎, 武宮淳史
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会
• [学会発表] 赤外線サーモグラフィを用いた植物の気孔応答の研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 武宮淳史
  • 学会等名: Biothermology Workshop 2020
  • 招待講演
• [学会発表] オートファジーは孔辺細胞のROSホメオスタシスを制御することで青色光依存の気孔開口を可能にする (2020)
  • 著者名/発表者名: 山内翔太, 真野昌二, 及川和聡, 曳野和美, 手島康介, 木森義隆, 西村幹夫, 島崎研一郎, 武宮 淳史
  • 学会等名: 第61回日本植物生理学会
• [学会発表] 活性カルボニル種はROSシグナル伝達を仲介し青色光による気孔開口を阻害する (2020)
  • 著者名/発表者名: 村上奈々香, 真野純一, 武宮淳史
  • 学会等名: 第61回日本植物生理学会
• [学会発表] E3ユビキチンリガーゼBEC1はデンプン分解を誘導し気孔開口を促進させる (2019)
  • 著者名/発表者名: 山内翔太, 杉山直幸, 島崎研一郎, 武宮淳史
  • 学会等名: 生物系三学会中四国支部会（広島大会）
• [学会発表] 活性カルボニル種（RCS）は青色光による気孔開口を阻害する (2019)
  • 著者名/発表者名: 村上奈々香, 真野純一, 武宮淳史
  • 学会等名: 生物系三学会中四国支部会（広島大会）
• [学会発表] 孔辺細胞において青色光に応じてリン酸化されるプロテインキナーゼの機能解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 冨士彩紗, 武宮淳史
  • 学会等名: 生物系三学会中四国支部会（広島大会）
• [学会発表] Signaling network of phototropin-regulated stomatal opening (2019)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Takemiya
  • 学会等名: Japan-Taiwan Plant Biology 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 気孔孔辺細胞において青色光に応答してリン酸化されるE3ユビキチンリガーゼの機能解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山内翔太、杉山直幸、島崎研一郎、武宮淳史
  • 学会等名: 第60回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 孔辺細胞青色光シグナル伝達におけるBLUS1のC末端領域の機能解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 細谷桜子、古屋繁一、島崎研一郎、武宮淳史
  • 学会等名: 第60回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Molecular mechanism of blue light signaling for stomatal opening (2018)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Takemiya, Shota Yamauchi, Asami Hiyama, Ken-ichiro Shimazaki
  • 学会等名: Japan-Finland Seminar 2018
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 気孔孔辺細胞において青色光依存的にリン酸化される情報伝達因子の機能解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山内翔太、武宮淳史
  • 学会等名: 生物系三学会中四国支部会（山口大会）
• [学会発表] 青色光による気孔開口の必須因子BLUS1のC末端領域の機能解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 細谷桜子、古屋繁一、島崎研一郎、武宮淳史
  • 学会等名: 生物系三学会中四国支部会（山口大会）
• [学会発表] 光によらず暗所で気孔が開口するシロイヌナズナG7-9D変異体の表現型解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 楢原康太、石川和弥、島崎研一郎、武宮淳史
  • 学会等名: 生物系三学会中四国支部会（山口大会）
• [学会発表] 青色光特異的な気孔開口に異常を示すシロイヌナズナ突然変異体の単離と機能解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 小林遥貴、武宮淳史
  • 学会等名: 生物系三学会中四国支部会（山口大会）
• [備考] 光による気孔開口制御の仕組みを解明 ～高い光合成能力とストレス耐性能力を併せ持つ植物の開発に期待～
  • URL: http://www.yamaguchi-u.ac.jp/weeklynews/_8427/_9082.html
• [備考] オートファジーは活性酸素の蓄積を抑え気孔開口を可能にする！
  • URL: http://www.yamaguchi-u.ac.jp/weeklynews/_7735/_7989.html