フィールド条件で植物の高温順化を制御するゲノム・エピゲノムの機能解析

• 研究課題/領域番号: 19K22431
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分44:細胞レベルから個体レベルの生物学およびその関連分野
• 研究機関: 奈良先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 山口 暢俊 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (90767899)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2020年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2019年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: Plant physiology / 植物 / エピゲノム / 環境応答 / シロイヌナズナ / 高温応答 / エピジェネティクス / 高温順化

研究開始時の研究の概要

植物は一度受けた高温の刺激に対して、順応するようになる。このことを高温順化という。地球の温暖化が予想されているため、植物が高温に順応するメカニズムを知り、人為的に調節することは食料の安定な供給のための必須の課題と言える。しから、これまでのシロイヌナズナを用いた高温順化の実験は、フィールドでは植物が経験しない条件で解析が行われてきた。申請者は、遺伝因子とエピジェネティックな因子に注目して、シロイヌナズナのフィールドにおける高温順化の分子基盤を解析する。実験室とフィールド条件での植物の高温順化能の違いを理解し、その多様性・柔軟性・進化をゲノム・エピゲノムの両方の観点から理解する。

研究成果の概要

植物は固着して生きるため、芽生えたその地で刻々と変動する温度に適応しなければならない。特に、不規則に変動する温度を段階的に読み取るのが重要になるのが、高温順化の過程である。申請者は、植物が記憶をする原理を研究した。この研究で、エピゲノム因子であるJUMONJI (JMJ)が抑制的ヒストン修飾であるH3K27me3を除去することで、植物が高温を受けた経験をしばらく記憶することを明らかにした (Yamaguchi et al., 受理, Nature Com.)。

研究成果の学術的意義や社会的意義

申請者は、植物が記憶をする原理を研究し、エピゲノム因子であるJUMONJI (JMJ)が抑制的ヒストン修飾であるH3K27me3を除去することで、植物が高温を受けた経験をしばらく記憶することを明らかにした (Yamaguchi et al., 受理, Nature Com.)。この研究は植物の記憶の分子基盤の実体を明らかにした例として、国際的に高く評価された。
繰り返しやってくる高温の刺激に適応する仕組みを解明して操作することは、植物の生き残り戦略を知り、植物に対する気候変動の影響を軽減するための対策を講じていくうえでも非常に重要である。

研究成果

• [国際共同研究] ペンシルバニア大学(米国)
• [国際共同研究] 湖南科技大学(中国)
• [雑誌論文] One factor many systems: The floral homeotic protein AGAMOUS and its epigenetic regulatory mechanism. (2021)
  • 著者名/発表者名: Pelayo, M.A., Yamaguchi, N., and Ito, T.
  • 雑誌名: Current Opinion in Plant Biology 巻: 61 ページ: 102009-102009
  • 査読あり
• [雑誌論文] TERMINAL FLOWER1-FD complex target genes and competition with FLOWERING LOCUS T. (2020)
  • 著者名/発表者名: Zhu, Y., Klasfeld, S., Jeong, CW., Jin, R., Goto, K., Yamaguchi, N., and Wagner, D.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 ページ: 5118-5118
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Removal of repressive histone marks creates epigenetic memory of recurring heat in Arabidopsis. (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi, N., Matsubara, S., Yoshimizu, K., Seki, M., Hamada, K., Kamitani, M., Kurita, Y., Inagaki, S., Suzuki, T., Gan, E.-S., To, T., Kakutani, T., Nagano, A.J., Satake, A., and Ito, T.
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: -
  • 国際共著
• [雑誌論文] Morphological and physiological framework underlying plant longevity in Arabidopsis thaliana. (2020)
  • 著者名/発表者名: Wang, Y., Kumaishi, K., Suzuki, T., Ichihashi, Y., Yamaguchi, N., Shirakawa, M., and Ito, T.
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 11 ページ: 600726-600726
  • 査読あり
• [雑誌論文] Histone demethylases coordinate the Antagonistic interaction between abscisic acid and brassinosteroid signaling in Arabidopsis. (2020)
  • 著者名/発表者名: Wu, J., Yan, M., Zhang, D., Zhou, D., Yamaguchi, N., and Ito, T.
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 11 ページ: 596835-596835
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Abscisic acid-dependent histone demethylation during postgermination growth arrest in Arabidopsis. (2019)
  • 著者名/発表者名: Wu, J., Ichihashi, Y., Suzuki, T., Shibata, A., Shirasu, K., Yamaguchi, N. and Ito T.
  • 雑誌名: Plant Cell and Environment 巻: 42 ページ: 2198-2214
  • 査読あり
• [雑誌論文] istone demethylases control root elongation in response to stress-signaling hormone abscisic acid. (2019)
  • 著者名/発表者名: Wu, J., Yamaguchi, N. and Ito T.
  • 雑誌名: Plant Signaling and Behavior 巻: 14 ページ: 1604019-1604019
  • 査読あり
• [雑誌論文] When to stop: an update on molecular mechanisms of floral meristem termination. (2019)
  • 著者名/発表者名: Xu Y., Yamaguchi, N. Gan, E-S., and Ito, T.
  • 雑誌名: Journal of Experimental Botany 巻: 70 ページ: 1711-1718
  • 査読あり
• [雑誌論文] Integration of transcriptional repression and Polycomb-mediated silencing of WUSCHEL in floral meristems. (2019)
  • 著者名/発表者名: Sun, B., Zhou, Y., Cai, J., Shang E., Yamaguchi, N., Xiao, J., Looi, L-S., Wee W-Y., Gao, X., Wagner, D., and Ito, T.
  • 雑誌名: Plant Cell 巻: 31 ページ: 1488-1505
  • NAID: 120006726651
  • 査読あり
• [雑誌論文] The roles of plant hormones and their interactions with regulatory genes in determining meristem activity. (2019)
  • 著者名/発表者名: Ze Hong, L., Hirakawa, T., Yamaguchi, N., Ito, T.
  • 雑誌名: International Journals of Molecular Sciences 巻: 20 ページ: 4065-4065
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lateral root initiation requires the sequential induction of transcription factors LBD16 and PUCHI in Arabidopsis thaliana. (2019)
  • 著者名/発表者名: Goh, T., Toyokura, K., Yamaguchi, N., Okamoto, T., Uehara, T., Kaneko, S., Takebayashi, Y., Kasahara, H., Ikeyama, Y., Okushima, Y., Nakajima, K., Mimura, T., Tasaka, M., and Fukaki, H.
  • 雑誌名: New Phytologist 巻: 222 ページ: 2-2
  • 査読あり
• [雑誌論文] CRABS CLAW and SUPERMAN coordinate hormone-, stress-, and metabolic-related gene expression during Arabidopsis stamen development. (2019)
  • 著者名/発表者名: Ze Hong, L., Tatsumi, Y., Ichihashi, Y., Suzuki, T., Shibata, A., Shirasu, K., Yamaguchi, N. and Ito T.
  • 雑誌名: Frontiers in Ecology and Evolution. 巻: 7 ページ: 437-437
  • 査読あり