栄養シグナルによる膜交通制御と植物成長最適化機構の解明

• 研究課題/領域番号: 21H02150
• 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38060:応用分子細胞生物学関連
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 山口 淳二 北海道大学, 理学研究院, 特任教授 (10183120)
• 研究分担者: 佐藤 長緒 北海道大学, 理学研究院, 准教授 (50609724) ; 高木 純平 北海道大学, 理学研究院, 助教 (80740331)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023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); 2023年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 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: 9,230千円 (直接経費: 7,100千円、間接経費: 2,130千円)
• キーワード: 環境応答 / 膜交通 / 環境ストレス / 植物 / 翻訳後修飾

研究開始時の研究の概要

植物は，生育環境の栄養条件に応じて代謝，成長を巧みに制御しながら生存している。特に，細胞内で利用可能な糖（炭素源，C）と窒素（N）の相対量比（C/Nバランス）は重要であり，植物はそれを感知し適応する「C/N応答」能力を有している。C/Nは，古くから植物生理学における重要なコンセプトであり，農業現場での具体的な作用点として注目されてきた。その一方で，C/N応答を制御する上流シグナル機構や代謝変動を担う分子実態については，長年謎に包まれたままである。本研究では，細胞内の膜交通制御による栄養ストレス適応という新たな視点から，植物の優れた環境ストレス応答を支える分子機構を解明する。

研究実績の概要

本研究では，「膜交通制御による植物の栄養ストレス適応」という独自の視点から植物の優れた環境ストレス応答を支える分子機構を解明することを目指している。申請者らは，糖（炭素，C）と窒素（N）栄養バランスである「C/Nバランス」の乱れに起因するストレス応答制御因子として膜局在型ユビキチンリガーゼATL31を単離し，それまで未知であったC/N応答シグナルの根幹を担う分子基盤を明らかにしてきた。また，C/N応答に関与する膜交通制御因子としてTGN局在型SNAREタンパク質を同定しており，そのユビキチン化修飾を見出している。さらに，C/Nストレスに応答したリン酸化プロテオーム解析から，新たなC/Nストレス応答制御因子の候補を得た。本研究では，こうした知見を基に，翻訳後修飾による細胞内膜交通システムの制御という観点で，植物のC/N栄養ストレス応答機構の解明を目指している。以下4つの研究課題を実施する。
計画 1）C/Nに応じたSNAREユビキチン化の解析
計画 2）C/N応答性輸送体の同定と代謝変動の解析
計画 3）新規C/N応答性膜交通因子の機能解析
計画 4）C/N環境ストレス下における膜交通因子の生理機能解析
当該年度は，これまでの解析から新たにC/N応答制御に関わる膜交通因子として同定したタンパク質について，その細胞内居局在性やリン酸化修飾について詳しい解析を行った。加えて，IP-MS解析から相互作用因子の探索を試みた。その結果，複数のリン酸化部位を検出し，新規の相互作用因子候補が得らえれた。

現在までの達成度 (段落)

令和5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5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] スウェーデン農業大学(スウェーデン)
• [国際共同研究] ゲント大学/VIB(ベルギー)
• [雑誌論文] Histone chaperone NUCLEOSOME ASSEMBLY PROTEIN 1 proteins affect plant growth under nitrogen deficient conditions in <i>Arabidopsis thaliana</i> (2023)
  • 著者名/発表者名: Jie Linnan、Sanagi Miho、Luo Yongming、Maeda Haruna、Fukao Yoichiro、Chiba Yukako、Yanagisawa Shuichi、Yamaguchi Junji、Takagi Junpei、Sato Takeo
  • 雑誌名: Ｐｌａｎｔ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 巻: 40 号: 1 ページ: 93-98
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.22.1219a
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • 年月日: 2023-03-25
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Plasmodesmata mediate cell-to-cell transport of brassinosteroid hormones (2023)
  • 著者名/発表者名: Wang Yaowei、Perez-Sancho Jessica、Platre Matthieu Pierre、Callebaut Brenda、Smokvarska Marija、Ferrer Karoll、Luo Yongming、Nolan Trevor M.、Sato Takeo、Busch Wolfgang、Benfey Philip N.、Kvasnica Miroslav、Winne Johan M.、Bayer Emmanuelle M.、Vukasinovic Nemanja、Russinova Eugenia
  • 雑誌名: Nature Chemical Biology 巻: 19 号: 11 ページ: 1331-1341
  • DOI: 10.1038/s41589-023-01346-x
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Conjugates of 3-phenyllactic acid and tryptophan enhance root-promoting activity without adverse effects in <i>Vigna angularis</i> (2022)
  • 著者名/発表者名: Maki Yuko、Soejima Hiroshi、Sugiyama Tamizi、Sato Takeo、Yamaguchi Junji、Watahiki Masaaki K.
  • 雑誌名: Ｐｌａｎｔ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 巻: 39 号: 2 ページ: 173-177
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.21.1217a
  • NAID: 130008149895
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • 年月日: 2022-06-25
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 3-Phenyllactic acid is converted to phenylacetic acid and induces auxin-responsive root growth in Arabidopsis plants (2022)
  • 著者名/発表者名: Maki Yuko、Soejima Hiroshi、Sugiyama Tamizi、Watahiki Masaaki K.、Sato Takeo、Yamaguchi Junji
  • 雑誌名: Ｐｌａｎｔ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 巻: 39 号: 2 ページ: 111-117
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.21.1216a
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • 年月日: 2022-06-25
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The TGN/EE SNARE protein SYP61 and the ubiquitin ligase ATL31 cooperatively regulate plant responses to carbon/nitrogen conditions in Arabidopsis (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoko Hasegawa, Thais Huarancca Reyes, Tomohiro Uemura, Anirban Baral, Akari Fujimaki, Yongming Luo, Yoshie Morita, Yasushi Saeki, Shugo Maekawa, Shigetaka Yasuda, Koki Mukuta, Yoichiro Fukao, Keiji Tanaka, Akihiko Nakano, Junpei Takagi, Rishikesh P Bhalerao, Junji Yamaguchi, Takeo Sato
  • 雑誌名: THE PLANT CELL 巻: 34 号: 4 ページ: 1354-1374
  • DOI: 10.1093/plcell/koac014
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Deubiquitinating enzymes UBP12 and UBP13 stabilize the brassinosteroid receptor BRI1 (2022)
  • 著者名/発表者名: Luo Yongming、Takagi Junpei、Claus Lucas Alves Neubus、Zhang Chao、Yasuda Shigetaka、Hasegawa Yoko、Yamaguchi Junji、Shan Libo、Russinova Eugenia、Sato Takeo
  • 雑誌名: EMBO reports 巻: 23 号: 4
  • DOI: 10.15252/embr.202153354
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Deubiquitinating enzymes UBP12 and UBP13 regulate carbon/nitrogen-nutrient stress responses by interacting with the membrane-localized ubiquitin ligase ATL31 in Arabidopsis (2022)
  • 著者名/発表者名: Luo Yongming、Yasuda Shigetaka、Takagi Junpei、Hasegawa Yoko、Chiba Yukako、Yamaguchi Junji、Sato Takeo
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 636 ページ: 55-61
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2022.10.089
  • 査読あり
• [学会発表] 栄養環境に応じた植物の成長相転換とソース-シンク機能制御 (2024)
  • 著者名/発表者名: 佐藤長緒，眞木美帆，高木純平
  • 学会等名: シンポジウム「植物個体内の局所から全身の環境応答機構」，第65回日本植物生理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 栄養環境に応じた植物の成長相転換とソース-シンク機能制御 (2024)
  • 著者名/発表者名: 佐藤長緒，眞木美帆，高木純平
  • 学会等名: シンポジウム「植物個体内の局所から全身の環境応答機構」，第65回日本植物生理学会年会（招待講演）
  • 招待講演
• [学会発表] Ubiquitin signals regulating plant responses to C/N-nutrient availability (2023)
  • 著者名/発表者名: Takeo Sato
  • 学会等名: Gordon Research Conference-Plant Proteolysis “Integrating Our Understanding of Proteolysis in Plant Biology”
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 研究室HP
  • URL: https://www.sci.hokudai.ac.jp/CSF2-web/