アポプラスト環境に着目した無傷葉の気孔開閉制御機構の分子基盤の解明

• 研究課題/領域番号: 20J00392
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 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: 東京大学
• 研究代表者: 安藤 英伍 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2020-04-24 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円); 2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
• キーワード: 気孔応答 / シロイヌナズナ / 細胞膜H+-ATPase

研究開始時の研究の概要

植物は気孔の開閉を通じてCO2取り込みと水分の損失を制御しており、光（青色光と赤色光）は気孔を開口させることが知られている。青色光は気孔孔辺細胞において細胞膜H+-ATPaseのリン酸化による活性化を誘導し、気孔開口の駆動力を形成することが示された。一方、赤色光は光合成依存的に気孔開口を誘導する。先行研究では、従来の実験材料である単離表皮組織に代えて葉を用いることで、赤色光による光合成依存的な孔辺細胞の細胞膜H+-ATPaseのリン酸化を示した。本研究では、光合成に起因する葉内環境の変化が、孔辺細胞の細胞膜H+-ATPaseへの作用を介して気孔開閉の調節に至るまでの分子機構の解明を目指す。

研究実績の概要

植物の表皮に存在する気孔は、光（特に青色光および赤色光）の下で開口して光合成に必要な二酸化炭素の取り込みを促進する。一方で暗黒下や二酸化炭素濃度の上昇に際しては、植物は気孔を閉鎖して自身からの水分損失を防いでいる。気孔開口は、C末端のリン酸化制御により活性化される孔辺細胞の細胞膜H+-ATPase (以下H+-ATPase)により駆動される。光合成に起因する葉内環境の変化を通じたH+-ATPaseのリン酸化制御と気孔開閉について以下の通り研究を遂行した。
1.光合成依存的なH+-ATPaseリン酸化
前年度までに、葉肉光合成に起因する糖が孔辺細胞のH+-ATPaseのリン酸化を誘導する可能性について検討し、スクロース代謝がH+-ATPaseのリン酸化に関わる可能性が示唆された。そこで、解糖系やミトコンドリアの基質取り込み輸送体の阻害剤を用いてスクロースによるH+-ATPaseのリン酸化を阻害するかを調査した。また、スクロースによるH+-ATPaseのリン酸化が気孔開口に必要であるか、遺伝学的な解析を行った。これらの結果については未発表であるため本報告書においては割愛する。今後の学術誌への投稿に向けて現在準備中である。
2.二酸化炭素によるH+-ATPase脱リン酸化
光合成の停止に起因する葉内二酸化炭素濃度の上昇がH+-ATPaseの脱リン酸化を誘導する現象についてNew Phytologist誌へ投稿した。査読者からの意見に従い、孔辺細胞プロトプラストを用いた新奇の生化学実験を含む改訂を行い、上記雑誌に受理された（Ando et al., New Phytol. 236: 2061-2074, 2022）。本成果は東京大学よりプレスリリースも行った（https://www.s.u-tokyo.ac.jp/ja/press/2022/8083/）。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] University of Tartu(エストニア)
• [雑誌論文] Image-Based Quantification of <i>Arabidopsis thaliana</i> Stomatal Aperture from Leaf Images (2023)
  • 著者名/発表者名: Takagi Momoko、Hirata Rikako、Aihara Yusuke、Hayashi Yuki、Mizutani-Aihara Miya、Ando Eigo、Yoshimura-Kono Megumi、Tomiyama Masakazu、Kinoshita Toshinori、Mine Akira、Toda Yosuke
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: - 号: 11 ページ: 1301-1310
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad018
  • 査読あり
• [雑誌論文] Elevated CO2 induces rapid dephosphorylation of plasma membrane H+-ATPase in guard cells. (2022)
  • 著者名/発表者名: Ando Eigo、Kollist Hannes、Fukatsu Kohei、Kinoshita Toshinori、Terashima Ichiro
  • 雑誌名: New Phytologist 巻: 236 号: 6 ページ: 2061-2074
  • DOI: 10.1111/nph.18472
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ethanol treatment enhances drought stress avoidance in cassava (Manihot esculenta Crantz) (2022)
  • 著者名/発表者名: Vu Anh Thu、Utsumi Yoshinori、Utsumi Chikako、Tanaka Maho、Takahashi Satoshi、Todaka Daisuke、Kanno Yuri、Seo Mitsunori、Ando Eigo、Sako Kaori、Bashir Khurram、Kinoshita Toshinori、Pham Xuan Hoi、Seki Motoaki
  • 雑誌名: Plant Molecular Biology 巻: 110 号: 3 ページ: 269-285
  • DOI: 10.1007/s11103-022-01300-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ethanol-Mediated Novel Survival Strategy against Drought Stress in Plants (2022)
  • 著者名/発表者名: Bashir K, Todaka D, Rasheed S, Matsui A, Ahmad Z, Sako K, -27-, Seki M.
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 63 号: 9 ページ: 1181-1192
  • DOI: 10.1093/pcp/pcac114
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Type 2C protein phosphatase clade D family members dephosphorylate guard cell plasma membrane H+-ATPase (2021)
  • 著者名/発表者名: Akiyama Mitsumasa、Sugimoto Hodaka、Inoue Shin-ichiro、Takahashi Yohei、Hayashi Maki、Hayashi Yuki、Mizutani Miya、Ogawa Takumi、Kinoshita Daichi、Ando Eigo、Park Meeyeon、Gray William M、Kinoshita Toshinori
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: 188 号: 4 ページ: 2228-2240
  • DOI: 10.1093/plphys/kiab571
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Overexpression of Plasma Membrane H+-ATPase in Guard Cells Enhances Light-Induced Stomatal Opening, Photosynthesis, and Plant Growth in Hybrid Aspen (2021)
  • 著者名/発表者名: Toh Shigeo、Takata Naoki、Ando Eigo、Toda Yosuke、Wang Yin、Hayashi Yuki、Mitsuda Nobutaka、Nagano Soichiro、Taniguchi Toru、Kinoshita Toshinori
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 12 ページ: 766037-766037
  • DOI: 10.3389/fpls.2021.766037
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] CO2による孔辺細胞の細胞膜H+-ATPaseの急速な脱リン酸化を通じた気孔閉鎖促進 (2023)
  • 著者名/発表者名: 安藤 英伍, Hannes Kollist, 深津 孝平, 木下 俊則, 寺島 一郎
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 高CO2下の気孔閉口制御に関わる葉肉シグナルの解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 森川 龍, 安藤 英伍, 寺島 一郎
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] ディープラーニングを用いたシロイヌナズナの気孔開度自動定量技術の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高木 桃子, 平田 梨佳子, 相原 悠介, 林 優紀, 水谷 未耶, 安藤 英伍, 河野 (吉村) 恵美, 富山 将和, 木下 俊則, 峯 彰, 戸田 陽介
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] タイプ2CプロテインホスファターゼDクレードによる気孔開度制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 木下 大地, 水谷 未耶, 榊原 拓, 村上 公亮, 丹下 昭憲, 安藤 英伍, 木下 俊則
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Ethanol-mediated survival strategy against drought stress in plants (2023)
  • 著者名/発表者名: Khurram Bashir, Daisuke Todaka, Sultana Rasheed, Akihiro Matsui, Zarnab Ahmad, Kaori Sako, Yoshinori Utsumi, Anh Thu Vu, Muneeba Siddique, Mehrooz Adana Qureshi, Maho Tanaka, Satoshi Takahashi, Junko Ishida, Yuuri Tsuboi, Shunsuke Watanabe, Yuri Kanno, Ando Eigo et al.
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 暗処理時の葉における孔辺細胞の細胞膜H+-ATPaseのリン酸化レベルの解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 安藤 英伍, 木下 俊則, 寺島 一郎
  • 学会等名: 日本植物生理学会
• [学会発表] 光合成依存的な気孔開口の制御機構の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 安藤 英伍, 木下 俊則, 寺島 一郎
  • 学会等名: 日本植物学会