植物ホルモンの代謝系に保存された単量体⇔多量体スイッチングシステム

• 研究課題/領域番号: 20H03272
• 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: 名古屋大学
• 研究代表者: 上口 美弥子 (田中美弥子) 名古屋大学, 生物機能開発利用研究センター, 教授 (70377795)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022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); 2022年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2021年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2020年度: 7,540千円 (直接経費: 5,800千円、間接経費: 1,740千円)
• キーワード: 植物ホルモン / ジベレリン / オーキシン / 多量体化 / 糖輸送体 / 花粉成熟 / イネ / 幼葉鞘伸長 / gibberellin / GA2酸化酵素 / GA応答 / X線結晶構造解析 / 不活化酵素 / イネOsGA2ox3 / アロステリック酵素 / ジベレリン輸送体 / X線CTスキャン / 糖応答 / 輸送体

研究開始時の研究の概要

これまでに申請者らは、植物ホルモンの一つであるジベレリンの代謝酵素イネGA2酸化酵素（GA2ox3) の構造解析及び分子動力学的解析（MD) シミュレーションにより、GA2ox3はジベレリン濃度依存的な多量体形成と活性増大化を引き起こすことを見出した。このことは、モノーが提唱したアロステリック制御が植物ホルモンの代謝系に働いていることと、その分子メカニズムを新たに提示できたことを意味する。そこで本申請では、別の成長ホルモンであるオーキシンの代謝酵素も同様のアロステリック制御があるのかどうかについて検証する。

研究成果の概要

成長するかしないのかの決定は、植物にとって大きな選択である。いくつかの植物ホルモンは、生合成、代謝、シグナル伝達、輸送体等の調節を通じて巧妙に成長を制御している。
代謝酵素であるイネGA2酸化酵素（GA2ox3)は、可逆的にジベレリン(GA)濃度依存的な多量体形成と活性増大化を引き起こしていた。本研究では、オーキシンの代謝酵素も同様な制御があることを証明した。さらにイネの花粉中のGA3酸化酵素(GA3ox1)は、花粉成熟過程において特殊なGA7合成に関わり、野生イネからの進化を通じて花粉への発現の局在性と高い反応性を獲得することで、成長に影響することなく花粉成熟に関わるように進化していた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

成長するかしないのかの決定は、植物にとって大きな選択である。いくつかの植物ホルモンは、生合成、代謝、シグナル伝達、輸送体などの調節を通じて巧妙に成長を制御している。
本研究は、特に植物の成長に重要なジベレリンとオーキシンの代謝酵素や生合成酵素の構造や活性、輸送体の同定と機能についてイネを中心に解析したものである。特に、これらに対してX線結晶構造解析を行なったことは今まで報告が無く、極めてユニークである。従って、今回得られた結果は、今後の農業上の新たな展開において植物の成長制御に重要な知見をあたえるものと考える。

研究成果

• [雑誌論文] Evolutionary alterations in gene expression and enzymatic activities of gibberellin 3-oxidase 1 in Oryza (2022)
  • 著者名/発表者名: Kawai Kyosuke、Takehara Sayaka、Kashio Toru、Morii Minami、Sugihara Akihiko、Yoshimura Hisako、Ito Aya、Hattori Masako、Toda Yosuke、Kojima Mikiko、Takebayashi Yumiko、Furuumi Hiroyasu、Nonomura Ken-ichi、Mikami Bunzo、Akagi Takashi、Sakakibara Hitoshi、Kitano Hidemi、Matsuoka Makoto、Ueguchi-Tanaka Miyako
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 5 号: 1 ページ: 67-67
  • DOI: 10.1038/s42003-022-03008-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A common allosteric mechanism regulates homeostatic inactivation of auxin and gibberellin (2020)
  • 著者名/発表者名: Takehara Sayaka、Sakuraba Shun、Mikami Bunzo、Yoshida Hideki、Yoshimura Hisako、Itoh Aya、Endo Masaki、Watanabe Nobuhisa、Nagae Takayuki、Matsuoka Makoto、Ueguchi-Tanaka Miyako
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41467-020-16068-0
• [雑誌論文] The Dual Function of OsSWEET3a as a Gibberellin and Glucose Transporter Is Important for Young Shoot Development in Rice (2020)
  • 著者名/発表者名: Morii Minami、Sugihara Akihiko、Takehara Sayaka、Kanno Yuri、Kawai Kyosuke、Hobo Tokunori、Hattori Masako、Yoshimura Hisako、Seo Mitsunori、Ueguchi-Tanaka Miyako
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 61 号: 11 ページ: 1935-1945
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa130
• [学会発表] 植物ホルモン応答機構の分子基盤 (2022)
  • 著者名/発表者名: 上口（田中）美弥子
  • 学会等名: 日本農芸化学会・中部支部例会
  • 招待講演
• [学会発表] 植物ホルモン応答機構の分子基盤（日本農芸化学会賞受賞講演） (2022)
  • 著者名/発表者名: 上口（田中）美弥子
  • 学会等名: 日本農芸化学会 2021年度大会
  • 招待講演
• [学会発表] X線マイクロCTを用いたイネの開花前と開花中の鱗被の形態解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 安藤詩織, 河合恭甫，上口（田中）美弥子, 大井崇生
  • 学会等名: 日本作物学会
• [学会発表] ジベレリンによるイネ葉鞘伸長の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 杉原 諒彦、大井 崇生、竹原 清日、服部 将子、松岡 信、上口（田中） 美弥子
  • 学会等名: 日本農芸化学会 2021年度大会
• [学会発表] Evolutionary analyses of gene expression and enzymatic activities of gibberellin 3-oxidase 1 in Oryza (2022)
  • 著者名/発表者名: Kyosuke Kawai, Sayaka Takehara, Toru Kashio, Minami Morii, Akihiko Sugihara, Hisako Yoshimura, Aya Ito, Masako Hattori, Yosuke Toda, Mikiko Kojima, Yumiko Takebayashi, Hiroyasu Furuumi, Ken-ichi Nonomura, Bunzo Mikami, Takashi Akagi, Hitoshi Sakakibara, Hidemi Kitano, Makoto Matsuoka, Miyako Ueguchi-Tanaka
  • 学会等名: 日本農芸化学会 2021年度大会
• [学会発表] Homeostatic inactivation of gibberellin and auxin is regulated by the same allosteric mechanism. (2021)
  • 著者名/発表者名: 竹原清日、桜庭俊、三上文三、松岡信、上口（田中）美弥子
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [学会発表] イネにおけるジベレリン輸送体の同定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 杉原 諒彦、森井 南美、竹原 清日、菅野 裕理、河合 恭甫、保浦 徳昇、服部 将子、吉村 久子、瀬尾 光範、上口（田中） 美弥子
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [備考] 名古屋大学 生物機能開発利用研究センター
  • URL: http://bbc.agr.nagoya-u.ac.jp
• [備考] 生物産業創出研究室（上口グループ）
  • URL: https://bioindustry.wixsite.com/ueguchilab