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植物環境応答におけるNAD(P)(H)代謝ネットワーク制御の分子基盤

研究課題

研究課題/領域番号 23K23564
補助金の研究課題番号 22H02298 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
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
研究機関埼玉大学

研究代表者

川合 真紀  埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (10332595)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)
2025年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2024年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2022年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
キーワード環境応答 / NAD(P)(H) / NADK / シロイヌナズナ / ニコチンアミドアデニンヌクレオチド / NAD キナーゼ / NADPホスファターゼ / NADキナーゼ
研究開始時の研究の概要

NAD(P)(H)は、全ての生物が細胞内酸化還元反応に用いる電子伝達物質であり、特に植物では呼吸のみならず、光合成における電子伝達系でも使用される。また、NADP(H)は様々な環境ストレスによって生じる活性酸素類の消去系にも関与することから、NAD(P)(H)の量やバランスの変化は植物の成長のみならず、環境応答や収量に大きく影響を及ぼす。しかしながら、細胞内のNAD(P)(H)量が環境要因に対してどのように調節されているのかは解明されていない。本研究では、植物におけるNAD(P)(H) の細胞内バランス制御の分子機構を解明し、非生物的・生物的ストレス耐性植物の分子育種に資する基盤を確立する。

研究実績の概要

ピリジンヌクレオチドNAD(P)(H)は、全ての生物が細胞内酸化還元反応に用いる電子伝達物質である。呼吸や光合成、脂質代謝などで使用されるのみならず、NADPHは環境ストレスによって細胞内に生じる活性酸素種の消去系においても中心的な役割を担う。このため、NAD(P)(H)の量やバランスの変化は植物の生長のみならず、環境応答や収量に大きく影響を及ぼす。しかしながらこれらがどのように量的に制御されているのかは解明されていない。本研究では、植物におけるNAD(P)(H)の細胞内バランス制御の分子機構を解明することを目的としている。前年度に引き続き、シロイヌナズナの葉緑体局在性NADリン酸化酵素(NADK2)の活性制御の分子機構に焦点を当て研究に取り組んだ。
NADK2を欠損したシロイヌナズナ変異体(nadk2)は、恒光条件では葉の色が黄緑になり生育遅延を示すが生育が可能であるのに対し、短日条件では著しい生育阻害を示す。葉緑体局在性のNADK2は、他の細胞内局在を示すNADKには存在しない長いN末領域を有している。この領域内にシロイヌナズナが明暗状態で生育するために重要な役割を担うドメインが存在する可能性があると考え研究を実施した。さまざまな生物の葉緑体局在あるいは光合成機能に関与すると考えられるNADK分子種の配列比較から、NADKの酵素活性に直接関与すると考えられるNADKモチーフに加えて長いN領域を持つようになったのは、進化的にコケやシダ植物以降であり、クラミドモナスやシアノバクテリアにはそのような配列は存在しなかった。また、N領域内のカルモジュリン結合部位やシステイン残基に注目して比較を行った結果、植物の多細胞化や陸上化に伴い、N領域が発達した可能性が新たに考えられた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

NADK2がシロイヌナズナにおいて光合成機能や成長に不可欠な因子であることは、変異体を用いた過去の知見から明らかとなっていたが、今回、コケや緑藻のNADKとの比較を行うことにより、シロイヌナズナNADKの持つN領域が進化の過程で獲得されたものであり、少しつずつその構成を変化させてきたことが新たに示された。この変化が植物の多細胞化や陸上かとどのような関わりを持つのかを明らかにすることは、植物の環境応答におけるNAD(P)(H)代謝の調節機構を解明する上で重要なポイントになると考えられる。また、N領域内に存在すると考えられた機能未知のドメインについては、一部分を欠損させたり、アミノ酸変異を入れた変異分子種をnadk2変異体で発現させるシロイヌナズナ系統を作成中であり、これらの表現型を調べることにより、さらにN領域の機能解明が進むと期待され、研究目的に沿った十分な成果が得られている。

今後の研究の推進方策

これまでの研究から、シロイヌナズナNADK2の持つN領域が、明暗が切り変わる生育条件に適応して植物が生育するために重要な役割を担っていることが示唆された。そのため引き続き、このN末端領域の機能に注目し、特に酵素活性制御の役割を担うかについて研究を進める。現在、この領域内に推測される機能ドメインに変異を導入した分子種を、nadk2変異体において発現させるシロイヌナズナ系統を順次作成している。T-DNA挿入変異体であるnadk2は、恒光条件では黄緑色の葉色を示し生育が遅延するが花芽をつけ、種子を取ることが可能であるが、明暗条件では著しく生育が悪化し開花しない。作成した形質転換系統でこれらの表現型が軽減されるかを調べることにより、それぞれのドメインの必要性とその役割について明らかにする予定である。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (20件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 1件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 4件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Loss of peroxisomal NAD kinase 3 (NADK3) affects photorespiration metabolism in Arabidopsis2023

    • 著者名/発表者名
      Shota Suzuki, Daimu Tanaka, Atsuko Miyagi, Kentaro Takahara, Masaru Kono, Chaomurilege, Ko Noguchi, Toshiki Ishikawa, Minoru Nagano, Masatoshi Yamaguchi, Maki Kawai-Yamada
    • 雑誌名

      Journal of Plant Physiology

      巻: 283 ページ: 153950-153950

    • DOI

      10.1016/j.jplph.2023.153950

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Metabolic changes associated with dark-induced leaf senescence in Arabidopsis <i>nadk2</i> mutants2023

    • 著者名/発表者名
      Chaomurilege, Atsuko Miyagi, Toshiki Ishikawa, Masatoshi Yamaguchi, Hideki Murayama, Maki Kawai-Yamada
    • 雑誌名

      Plant Signaling & Behavior

      巻: 18 号: 1 ページ: 2215618-2215618

    • DOI

      10.1080/15592324.2023.2215618

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Heterologous expression of mtf and mtc genes of Pseudanabaena foetida var. intermedia is sufficient to produce 2-methylisoborneol in Escherichia coli2023

    • 著者名/発表者名
      Dayarathne Kaushalya、Ishikawa Toshiki、Watanabe Satoru、Ishikawa Yuuma、Aikeranmu Kadeer、Kitagawaa Hina、Komatsubara Natsumi、Yamaguchi Masatoshi、Kawai-Yamada Maki
    • 雑誌名

      Microbiology Spectrum

      巻: 11 号: 5 ページ: 5-5

    • DOI

      10.1128/spectrum.02561-23

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Adjustment of light-responsive NADP dynamics in chloroplasts by stromal pH2023

    • 著者名/発表者名
      Fukuda Yusuke、Ishiyama Chinami、Kawai-Yamada Maki、Hashida Shin-nosuke
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 14 号: 1 ページ: 7148-7148

    • DOI

      10.1038/s41467-023-42995-9

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Loss of chloroplast-localized NAD kinase causes ROS stress in Arabidopsis thaliana2023

    • 著者名/発表者名
      Chaomurilege, Yanhui Zu, Atsuko Miyagi, Shin-Nosuke Hashida, Toshiki Ishikawa, Masatoshi Yamaguchi, Maki Kawai-Yamada
    • 雑誌名

      Journal of Plant Research

      巻: 136 号: 1 ページ: 97-106

    • DOI

      10.1007/s10265-022-01420-w

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] C4種Flaveria bidentisの葉緑体型NADキナーゼ(FbNADK2a、FbNADK2b)の発現と機能に関する研究2023

    • 著者名/発表者名
      鈴木沙也加、藤沼友莉果、石川寿樹、山口雅利、川合真紀
    • 学会等名
      第40回植物バイオテクノロジー学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] シロイヌナズナのCa2+/CaM依存性NAD キナーゼの機能解析2023

    • 著者名/発表者名
      坂口浩朗,石川寿樹,山口雅利,川合真紀
    • 学会等名
      第40回植物バイオテクノロジー学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Involvement of cnbA, mtf, mtc, and cnbB genes of Pseudanabaena foetida var. intermedia in the 2-methylisoborneol synthesis2023

    • 著者名/発表者名
      Kaushalya Dayarathne, Toshiki Ishikawa, Satoru Watanabe, Aikeranmu Kadeer, Masatoshi Yamaguchi, Maki Kawai-Yamada
    • 学会等名
      第40回植物バイオテクノロジー学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] C4種Flaveria bidentisのサイトゾル局在性NAD キナーゼ (NADK1)の解析2023

    • 著者名/発表者名
      藤沼友莉果、鈴木沙也加、石川寿樹、山口雅利、川合真紀
    • 学会等名
      第40回植物バイオテクノロジー学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Molecular analysis of NAD kinase genes in oleaginous algae Nannochloropsis oceanica2023

    • 著者名/発表者名
      Suzuki, K., Hayashi, E., Ohashi, S., Ishikawa, T., Miyagi, A., Yamaguchi, M., Kawai-Yamada, M.
    • 学会等名
      The 9th Asian-Oceanian Symposium on Plant Lipids
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Functional analysis of Ca2+/CaM-dependent NAD kinase in Arabidopsis thaliana2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroaki Sakaguchi, Toshiki Ishikawa, Masatoshi Yamaguchi, Maki Kawai-Yamada
    • 学会等名
      Taiwan-Japan Plant Biology 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Genes associated with the 2-methylisoborneol synthesis in Pseudanabaena foetida var. intermedia2023

    • 著者名/発表者名
      Kaushalya Dayarathne, Toshiki Ishikawa, Satoru Watanabe, Aikeranmu Kadeer, Masatoshi Yamaguchi, Maki Kawai-Yamada
    • 学会等名
      Taiwan-Japan Plant Biology 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] The significance of mtf, mtc, and cnb genes for 2-methylisoborneol synthesis in Pseudanabaena foetida2023

    • 著者名/発表者名
      Kaushalya Dayarathne, Toshiki Ishikawa, Satoru Watanabe, Aikeranmu Kadeer, Masatoshi Yamaguchi, Maki Kawai-Yamada
    • 学会等名
      第65回植物生理学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] シアノバクテリアSynechocystis sp. PCC 6803の増殖に影響を及ぼすメチルグリオキサールシンターゼ(Sll0036)の機能解析2023

    • 著者名/発表者名
      アキラム カーディル、石川優真、宮城敦子、石川寿樹、山口雅利、川合真紀
    • 学会等名
      第65回植物生理学会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] シアノバクテリアSynechocystissp.PCC6803のメチルグリオキサールシンターゼ(Sll0036)の機能解析2022

    • 著者名/発表者名
      アキラム カーディル、石川優真、山口雅利、石川寿樹、宮城敦子、川合真紀
    • 学会等名
      第39回日本植物バイオテクノロジー学会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 植物の環境応答における NAD(P)(H)バランス制御2022

    • 著者名/発表者名
      川合真紀、白朝木日楽格、宮城敦子
    • 学会等名
      日本植物学会第86回大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] シロイヌナズナ葉緑体局在性NADキナーゼ(NADK2)のN領域の解析2022

    • 著者名/発表者名
      朝木日楽格、爼艶慧、橋田慎之介、宮城敦子、石川寿樹、山口雅利、川合真紀
    • 学会等名
      日本植物学会第86回大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] シロイヌナズナnadk2復帰変異体の原因遺伝子の同定と解析2022

    • 著者名/発表者名
      明石一樹、宮城敦子、石川寿樹、山口雅利、川合真紀
    • 学会等名
      日本植物学会第86回大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 油脂産生微細藻類NannochloropsisのNAD(P)(H)合成経路の解析2022

    • 著者名/発表者名
      林英里香、鈴木耕陽、宮城敦子、石川寿樹、山口雅利、川合真紀
    • 学会等名
      植物脂質科学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] The regulatory mechanism of NADP+ level in the chloroplast2022

    • 著者名/発表者名
      Maki Kawai-Yamada, Kazuki Akashi, Chaomurilege, Atsuko Miyagi, Toshiki Ishikawa, Masatoshi Yamaguchi
    • 学会等名
      INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON PHOTOSYNTHESIS AND CHLOROPLAST REGULATION
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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