フォトトロピンが制御する光シグナル伝達ネットワークの解明

• 研究課題/領域番号: 21H02511
• 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): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円); 2023年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2022年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2021年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
• キーワード: 気孔開口 / 青色光 / 光合成 / フォトトロピン / 細胞膜H+-ATPase / シグナル伝達

研究開始時の研究の概要

フォトトロピンは植物に特有の青色光受容体キナーゼであり、光合成機能の最適化に関わる多様な光応答を制御する。研究代表者らの近年の研究により、フォトトロピンは細胞内で多様な因子を同時にリン酸化し精巧な「シグナル伝達ネットワーク」を形成することで、光応答を統合的に制御する可能性が見えてきた。本研究では気孔開口をモデルケースとして、フォトトロピンが制御する光シグナル伝達ネットワークの分子機構の解明を目指す。

研究成果の概要

気孔は陸上植物の表皮に存在する孔であり、光に応答して開口し、光合成に必要な二酸化炭素の吸収を促進する。細胞膜H+-ATPaseは細胞内のH+を細胞外に汲み出す一次輸送体であり、気孔開口の駆動力を形成する。しかし、その活性制御機構には不明な点が多い。本研究では、H+-ATPaseのC末端自己阻害領域内の2カ所のThr残基が青色光に応答してリン酸化されることを見出し、これらのリン酸化がH+-ATPaseの活性化と気孔開口に必須であることを明らかにした。さらに上流領域のThr残基は光合成によってもリン酸化され、気孔開口を促進することを示した。

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細胞膜H+-ATPaseの光活性化の仕組みを明らかにし、気孔開口の駆動力形成機構の理解に大きな前進をもたらした。H+-ATPaseは植物の生存に必須な一次輸送体であり、孔辺細胞以外の組織・細胞にも発現している。本研究で見出した仕組みを応用しH+-ATPaseの活性を人為的に制御することで、植物の成長や光合成を促進する基盤技術の開発に繋がることが期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Light-induced stomatal opening requires phosphorylation of the C-terminal autoinhibitory domain of plasma membrane H+-ATPase (2024)
  • 著者名/発表者名: Fuji Saashia、Yamauchi Shota、Sugiyama Naoyuki、Kohchi Takayuki、Nishihama Ryuichi、Shimazaki Ken-ichiro、Takemiya Atsushi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 15 号: 1 ページ: 1195-1195
  • DOI: 10.1038/s41467-024-45236-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] オートファジーは孔辺細胞のROS恒常性を制御し気孔開口を可能にする (2023)
  • 著者名/発表者名: 山内 翔太、武宮 淳史
  • 雑誌名: アグリバイオ 巻: 7 ページ: 801-805
• [雑誌論文] Root PRR7 Improves the Accuracy of the Shoot Circadian Clock through Nutrient Transport (2023)
  • 著者名/発表者名: Uemoto Kyohei、Mori Fumito、Yamauchi Shota、Kubota Akane、Takahashi Nozomu、Egashira Haruki、Kunimoto Yumi、Araki Takashi、Takemiya Atsushi、Ito Hiroshi、Endo Motomu
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 64 号: 3 ページ: 352-362
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad003
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Pexophagy suppresses ROS-induced damage in leaf cells under high-intensity light (2022)
  • 著者名/発表者名: Oikawa, K., Goto-Yamada, S., Hayashi, Y., Takahashi, D., Kimori, Y., Shibata, M., Yoshimoto, K., Takemiya, A., Kondo, M., Hikino, K., Kato, A., Shimoda, K., Ueda, H., Uemura, M., Numata, K., Ohsumi, Y., Hara-Nishimura, I., Mano, S., Yamada, K., and Nishimura, M.
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 7 号: 1 ページ: 7493-7493
  • DOI: 10.1038/s41467-022-35138-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Reactive Carbonyl Species Inhibit Blue-Light-Dependent Activation of the Plasma Membrane H+-ATPase and Stomatal Opening (2022)
  • 著者名/発表者名: Murakami Nanaka、Fuji Saashia、Yamauchi Shota、Hosotani Sakurako、Mano Jun’ichi、Takemiya Atsushi
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 63 号: 8 ページ: 1168-1176
  • DOI: 10.1093/pcp/pcac094
  • 査読あり
• [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: - 号: 5 ページ: 1813-1827
  • DOI: 10.1093/plcell/koab067
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 気孔孔辺細胞における光シグナル伝達ネットワーク (2024)
  • 著者名/発表者名: 武宮淳史
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 青色光に応答したデンプン分解を介した気孔開口の分子機構の解明 (2024)
  • 著者名/発表者名: 生田大貴, 山内翔太, 武宮淳史
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 青色光に応答した細胞膜H+-ATPaseの活性化が阻害された突然変異体の単離と機能解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 冨士彩紗, 山内翔太, 武宮淳史
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 青色光による気孔開口の駆動力を形成する細胞膜H+-ATPaseの新奇活性制御機構 (2023)
  • 著者名/発表者名: 冨士彩紗, 山内翔太, 杉山直幸, 西浜竜一, 河内孝之, 島崎研一郎, 武宮淳史
  • 学会等名: 第79回中国四国植物学会大会
• [学会発表] 青色光に応答した気孔開口における裸子植物のBLUS1様遺伝子の機能解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 今岡もも, 武宮淳史
  • 学会等名: 第79回中国四国植物学会大会
• [学会発表] Phosphorylation of WD-repeat protein WDR by phototropins is essential for starch degradation to promote stomatal opening (2023)
  • 著者名/発表者名: Shota Yamauchi, Naoyuki Sugiyama, Yutaka Kodama, Luca Distefano, Haruki Fujii, Mika Nomoto, Yasuomi Tada, Kazuhiro Hotta, Diana Santelia, Ken-ichiro Shimazaki, Atsushi Takemiya
  • 学会等名: The 33rd International Conference on Arabidopsis Research (ICAR2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Phosphorylation of two Thr residues in the C-terminal auto-inhibitory domain of plasma membrane H+-ATPase is crucial for light-induced stomatal opening (2023)
  • 著者名/発表者名: Saashia Fuji, Shota Yamauchi, Naoyuki Sugiyama, Takayuki Kohchi, Ryuichi Nishihama, Ken-ichiro Shimazaki, Atsushi Takemiya
  • 学会等名: The 33rd International Conference on Arabidopsis Research (ICAR2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Functional analysis of BLUS1-interacting proteins in blue light-dependent stomatal opening (2023)
  • 著者名/発表者名: Kyoka Thahara, Atsushi Takemiya
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2023 (TJPB2023)
  • 国際学会
• [学会発表] A novel activation mechanism of plasma membrane H+-ATPase via phosphorylation within its C-terminal auto-inhibitory domain to open stomata by light (2023)
  • 著者名/発表者名: Saashia Fuji, Shota Yamauchi, Naoyuki Sugiyama, Kohchi Takayuki, Ryuichi Nishihama, Ken-ichiro Shimazaki, Atsushi Takemiya
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2023 (TJPB2023)
  • 国際学会
• [学会発表] 青色光に応答した細胞膜H+-ATPaseの2つの部位のリン酸化は気孔開口に必須である (2023)
  • 著者名/発表者名: 冨士彩紗，山内翔太，杉山直幸，西浜竜一，島崎研一郎，武宮淳史
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] WDRは孔辺細胞葉緑体のデンプン分解を介して気孔開口を促進する (2023)
  • 著者名/発表者名: 山内翔太，杉山直幸，児玉豊，Luca Distefano， 野元美佳，多田安臣，Diana Santelia，島崎研一郎，武宮淳史
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シロイヌナズナ孔辺細胞におけるSnRK2基質のリン酸化プロテオーム解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山下昂太，三枝瑞季，山内翔太，武宮淳史，梅澤泰史
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シロイヌナズナにおけるグループC-Raf 型プロテインキナーゼのシグナル伝達経路の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高瀬緋奈乃，神山佳明，山下昂太，冨士彩紗，杉本穂高，高橋宏二，武宮淳史，木下俊則，梅澤泰史
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 保存されたFAMA-WSBモジュールの転用によるアブラナ目生体防御系の進化 (2023)
  • 著者名/発表者名: 白川一，小黒友輝，菅野茂夫，山岡尚平，相良真由，谷田舞，松本紘弥，熊石妃恵，吉田颯馬，渡邉むつみ，峠隆之， 鈴木孝征，市橋泰範，武宮淳史，山口 暢俊，河内孝之，伊藤寿朗
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 光に応答した気孔開口の分子機構 (2022)
  • 著者名/発表者名: 武宮淳史
  • 学会等名: 第14回中国地域育種談話会
  • 招待講演
• [学会発表] 光環境レジリエンスを支えるフォトトロピンシグナル伝達ネットワーク (2022)
  • 著者名/発表者名: 武宮淳史
  • 学会等名: 日本植物学会第86回大会
  • 招待講演
• [学会発表] 青色光に応答した気孔開口の分子機構に関する研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 武宮淳史
  • 学会等名: 第63回日本植物生理学会
  • 招待講演
• [学会発表] 青色光に応答した気孔開口におけるBLUS1結合因子の機能解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田原京佳, 武宮淳史
  • 学会等名: 第63回日本植物生理学会
• [学会発表] Artificial microRNA によるフォトトロピン応答の新奇因子の探索 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松本理緒, 藤井量子, 三藤有紗, 武宮淳史
  • 学会等名: 第63回日本植物生理学会
• [学会発表] 青色光に応答した気孔開口におけるBLUS1結合因子の機能解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田原京佳, 武宮淳史
  • 学会等名: 第77回中国四国植物学会大会
• [備考]
  • URL: https://www.yamaguchi-u.ac.jp/weekly/28916/index.html