根の緑化応答から明らかにする葉緑体の発達メカニズムとその制御

• 研究課題/領域番号: 26711016
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 一部基金
• 研究分野: 植物分子・生理科学
• 研究機関: 大阪府立大学 (2018); 東京大学 (2014-2017)
• 研究代表者: 小林 康一 大阪府立大学, 高等教育推進機構, 准教授 (40587945)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 24,570千円 (直接経費: 18,900千円、間接経費: 5,670千円); 2017年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2016年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2015年度: 7,930千円 (直接経費: 6,100千円、間接経費: 1,830千円); 2014年度: 10,920千円 (直接経費: 8,400千円、間接経費: 2,520千円)
• キーワード: 葉緑体 / 光合成 / クロロフィル / 根 / 植物ホルモン / サイトカイニン / チラコイド膜 / 緑化 / 転写因子 / 植物生理学 / 分子生物学 / シロイヌナズナ

研究成果の概要

葉緑体は、植物の生活環全体に深く関わる細胞内小器官である。報告者は先行研究により、地上部を失った根では葉緑体の発達がおこり、光合成効率が高まることを明らかにした。本研究では、切除根における葉緑体の発達や光合成の活性化機構を調べた。その結果、地上部を失ったシロイヌナズナの根ではサイトカイニンにより転写因子GNLが誘導され、その下流で核や葉緑体コードの光合成関連遺伝子の発現が活性化すること、それにより根の光合成収率が顕著に高まることを明らかにした。さらに、葉緑体発達時にはチラコイド膜脂質が合成されることがクロロフィルや光合成タンパク質の合成に必須であることを解明した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

葉緑体は植物の生活環全体に大きく関わる細胞内小器官であり、植物の生きるしくみを明らかにするには葉緑体の発達制御機構の解明が不可欠である。報告者は、地上部の喪失に応答して葉緑体分化を誘導する情報伝達経路を明らかにした。さらに、解明した情報伝達経路を人工的に改変することで野生株の20倍ものクロロフィルを蓄積しかつ光合成能力も高い根を持つシロイヌナズナ形質転換体を作成することに成功した。本研究の成果は、葉緑体分化機構の全容を明らかにするだけでなく、植物の多様な生活様式や生存戦略の解明にも大きく貢献するもので、光合成能力や生存能力を高めた植物の開発にもつながる可能性を秘めている。

研究成果

• [国際共同研究] 台湾中央研究院(その他の国・地域 台湾)
• [雑誌論文] Galactolipids are essential for internal membrane transformation during etioplast-to-chloroplast differentiation (2019)
  • 著者名/発表者名: Fujii Sho, Nagata Noriko, Masuda Tatsuru, Wada Hajime, Kobayashi Koichi
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 印刷中 号: 6 ページ: 1224-1238
  • DOI: 10.1093/pcp/pcz041
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Transcriptional control for the chlorophyll metabolism (2019)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Koichi、Masuda Tatsuru
  • 雑誌名: Advances in Botanical Research 巻: 印刷中 ページ: 133-161
  • DOI: 10.1016/bs.abr.2019.03.001
  • ISBN: 9780128199824
• [雑誌論文] Digalactosyldiacylglycerol is essential for organization of the membrane structure in etioplasts (2018)
  • 著者名/発表者名: Fujii Sho、Kobayashi Koichi、Nagata Noriko、Masuda Tatsuru、Wada Hajime
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: 177 号: 4 ページ: 1487-1497
  • DOI: 10.1104/pp.18.00227
  • 査読あり
• [雑誌論文] エチオプラストの発達と葉緑体への分化過程におけるガラクト脂質の役割 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤井祥、永田典子、増田建、和田元、小林康一
  • 雑誌名: 光合成研究 巻: 28 ページ: 139-147
  • NAID: 40021773961
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Genetic analysis of chloroplast biogenesis, and function and mutant collections (2018)
  • 著者名/発表者名: Fujii Sho, Wada Hajime, Kobayashi Koichi
  • 雑誌名: Methods in Molecular Biology 巻: 1829 ページ: 341-365
  • DOI: 10.1007/978-1-4939-8654-5_23
  • ISBN: 9781493986538, 9781493986545
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Improved photosynthesis in Arabidopsis roots by activation of GATA transcription factors (2018)
  • 著者名/発表者名: Ohnishi A.、Wada H.、Kobayashi K.
  • 雑誌名: Photosynthetica 巻: 56 号: SPECIAL ISSUE ページ: 433-444
  • DOI: 10.1007/s11099-018-0785-9
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phosphatidylglycerophosphate phosphatase is required for root growth in Arabidopsis (2018)
  • 著者名/発表者名: Lin Ying-Chen、Kobayashi Koichi、Wada Hajime、Nakamura Yuki
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular and Cell Biology of Lipids 巻: 1863 号: 6 ページ: 563-575
  • DOI: 10.1016/j.bbalip.2018.02.007
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Simultaneous but spatially different regulation of non-photosynthetic callus formation and photosynthetic root development after shoot removal (2017)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Koichi、Iwase Akira
  • 雑誌名: Plant Signaling & Behavior 巻: 12 号: 6 ページ: e1338999-e1338999
  • DOI: 10.1080/15592324.2017.1338999
  • 査読あり
• [雑誌論文] Monogalactosyldiacylglycerol facilitates synthesis of photoactive protochlorophyllide in etioplasts. (2017)
  • 著者名/発表者名: Fujii, S., Kobayashi, K., Nagata, N., Masuda, T., and Wada, H.
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: 174 号: 4 ページ: 2183-2198
  • DOI: 10.1104/pp.17.00304
  • 査読あり
• [雑誌論文] Shoot removal induces chloroplast development in roots via cytokinin signaling (2017)
  • 著者名/発表者名: Koichi Kobayashi, Ai Ohnishi, Daichi Sasaki, Sho Fujii, Akira Iwase, Keiko Sugimoto, Tatsuru Masuda and Hajime Wada
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: 173 号: 4 ページ: 2340-2355
  • DOI: 10.1104/pp.16.01368
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] CyanoBase: a large-scale update on its 20th anniversary. (2017)
  • 著者名/発表者名: Fujisawa, T., Narikawa, R., Maeda, S., Watanabe, S., Kanesaki, Y., Kobayashi, K., Nomata, J., Hanaoka, M., Watanabe, M., Ehira, S., Suzuki, E., Awai, K. and Nakamura, Y.
  • 雑誌名: Nucleic Acids Research 巻: 45 号: D1 ページ: 551-554
  • DOI: 10.1093/nar/gkw1131
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Arabidopsis PHOSPHATIDYLGLYCEROPHOSPHATE PHOSPHATASE1 (PGPP1) involved in phosphatidylglycerol biosynthesis and photosynthetic function. (2016)
  • 著者名/発表者名: Lin, Y.-C., Kobayashi, K., Hung, C.-H., Wada, H. and Nakamura, Y.
  • 雑誌名: The Plant Journal 巻: 88 号: 6 ページ: 1022-1037
  • DOI: 10.1111/tpj.13311
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Sulfoquinovosyldiacylglycerol has an essential role in Thermosynechococcus elongatus BP-1 under phosphate-deficient conditions (2016)
  • 著者名/発表者名: Kaichiro Endo, Koichi Kobayashi and Hajime Wada
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol 巻: 57 号: 12 ページ: 2461-2471
  • DOI: 10.1093/pcp/pcw159
  • 査読あり
• [雑誌論文] Allocation of Heme Is Differentially Regulated by Ferrochelatase Isoforms in Arabidopsis Cells. (2016)
  • 著者名/発表者名: Espinas, N. A., Kobayashi, K., Sato, Y., Mochizuki, N., Takahashi, K., Tanaka, R., & Masuda, T.
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 7 ページ: 1326-1326
  • DOI: 10.3389/fpls.2016.01326
  • NAID: 120005980877
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Transcriptional regulation of tetrapyrrole biosynthesis in Arabidopsis thaliana. (2016)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi, K. and Masuda, T.
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 7 ページ: 1811-1811
  • DOI: 10.3389/fpls.2016.01811
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Role of membrane glycerolipids in photosynthesis, thylakoid biogenesis and chloroplast development. (2016)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi, K.
  • 雑誌名: Journal of Plant Research 巻: 129 号: 4 ページ: 565-580
  • DOI: 10.1007/s10265-016-0827-y
  • NAID: 40020866732
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Multiple impacts of loss of plastidic phosphatidylglycerol biosynthesis on photosynthesis during seedling growth of Arabidopsis (2016)
  • 著者名/発表者名: K Kobayashi, K Endo, H Wada
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 7 ページ: 336-336
  • DOI: 10.3389/fpls.2016.00336
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Role of lipids in chloroplast biogenesis (2016)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi K, Wada H
  • 雑誌名: Lipids in Plant and Algae Development 巻: - ページ: 103-125
  • DOI: 10.1007/978-3-319-25979-6_5
  • ISBN: 9783319259772, 9783319259796
• [雑誌論文] Roles of lipids in photosynthesis (2016)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi K, Endo K, Wada H
  • 雑誌名: Lipids in Plant and Algae Development 巻: - ページ: 21-49
  • DOI: 10.1007/978-3-319-25979-6_2
  • ISBN: 9783319259772, 9783319259796
• [雑誌論文] Regulation of chlorophyll metabolism in plants (2016)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi K, Masuda T
  • 雑誌名: Handbook of Photosynthesis, Third Edition 巻: - ページ: 173-192
• [雑誌論文] 光合成タンパク質複合体と脂質 (2015)
  • 著者名/発表者名: 遠藤嘉一郎、小林康一、和田 元
  • 雑誌名: 光合成研究 巻: 25 ページ: 116-125
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 植物のチラコイド膜脂質の合成と葉緑体発達における役割 (2015)
  • 著者名/発表者名: 小林康一
  • 雑誌名: 光合成研究 巻: 25 ページ: 126-137
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Expression analysis of transcription factors involved in chloroplast differentiation. (2015)
  • 著者名/発表者名: Listiawan DA, Tanoue R, Kobayashi K, Masuda T
  • 雑誌名: Procedia Chemistry 巻: 14 ページ: 146-151
  • DOI: 10.1016/j.proche.2015.03.021
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Isolation and characterization of a phosphatidylglycerophosphate phosphatase1, PGPP1, in Chlamydomonas reinhardtii (2015)
  • 著者名/発表者名: Hung C, Kobayashi K, Wada H, Nakamura Y
  • 雑誌名: Plant Physiology and Biochemistry 巻: 92 ページ: 56-61
  • DOI: 10.1016/j.plaphy.2015.04.002
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Functional specificity of cardiolipin synthase revealed by the identification of a cardiolipin synthase CrCLS1 in Chlamydomonas reinhardtii (2015)
  • 著者名/発表者名: Hung C, Kobayashi K, Wada H, Nakamura Y
  • 雑誌名: Frontiers in Microbiology 巻: 6 ページ: 1542-1542
  • DOI: 10.3389/fmicb.2015.01542
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Characterization of Chlamydomonas reinhardtii phosphatidylglycerophosphate synthase in Synechocystis sp. PCC 6803 (2015)
  • 著者名/発表者名: Hung C, Endo K, Kobayashi K, Nakamura Y, Wada H
  • 雑誌名: Frontiers in Microbiology 巻: 6 ページ: 842-842
  • DOI: 10.3389/fmicb.2015.00842
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Site-directed mutagenesis of amino acid residues of D1 protein interacting with phosphatidylglycerol affects the function of plastoquinone QB in photosystem II (2015)
  • 著者名/発表者名: Endo K, Mizusawa N, Shen JR, Yamada M, Tomo T, Komatsu H, Kobayashi M, Kobayashi K, Wada H
  • 雑誌名: Photosynthesis Research 巻: 126 号: 2-3 ページ: 385-397
  • DOI: 10.1007/s11120-015-0150-9
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transcriptional regulation of thylakoid galactolipid biosynthesis coordinated with chlorophyll biosynthesis during the development of chloroplasts in Arabidopsis. (2014)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi, K., Fujii, S., Sasaki, D., Baba, S., Ohta, H., Masuda, T., and Wada, H.
  • 雑誌名: Frontiers of Plant Science 巻: 5 ページ: 272-272
  • DOI: 10.3389/fpls.2014.00272
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Molecular phylogeny and intricate evolutionary history of the three isofunctional enzymes involved in the oxidation of protoporphyrinogen IX (2014)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi, K., Masuda, T., Tajima, N., Wada, H., Sato, N.
  • 雑誌名: Genome Biology and Evolution 巻: 6 号: 8 ページ: 2141-2155
  • DOI: 10.1093/gbe/evu170
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Inducible knockdown of MONOGALACTOSYLDIACYLGLYCEROL SYNTHASE1 reveals roles of galactolipids in organelle differentiation in Arabidopsis cotyledons (2014)
  • 著者名/発表者名: S Fujii, K Kobayashi, Y Nakamura, H Wada
  • 雑誌名: Plant physiology 巻: 166 号: 3 ページ: 1436-1449
  • DOI: 10.1104/pp.114.250050
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Specific role of phosphatidylglycerol and functional overlaps with other thylakoid lipids in Arabidopsis chloroplast biogenesis. (2014)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi K, Fuji S., Sato M, Toyooka K, Wada H
  • 雑誌名: Plant Cell Reports 巻: 34 号: 4 ページ: 631-42
  • DOI: 10.1007/s00299-014-1719-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Distinct and overlapped roles of MGDG and DGDG in etioplasts of dark-grown Arabidopsis (2018)
  • 著者名/発表者名: Fujii Sho, Nagata Noriko, Masuda Tatsuru, Wada Hajime, Kobayashi Koichi
  • 学会等名: 23rd International Symposium on Plant Lipids
  • 国際学会
• [学会発表] Roles of galactolipids in plastid development during skotomorphogenesis to photomorphogenesis (2018)
  • 著者名/発表者名: Fujii Sho, Nagata Noriko, Masuda Tatsuru, Wada Hajime, Kobayashi Koichi
  • 学会等名: Japan-Finland Seminar 2018
  • 国際学会
• [学会発表] 子葉緑化時のクロロフィル合成と光合成遺伝子発現にガラクト脂質合成が与える影響 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤井祥、永田典子、増田建、和田元、小林康一
  • 学会等名: 日本植物学会第82回大会
• [学会発表] ガラクト脂質が駆動するエチオプラストから葉緑体へのダイナミックな分化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤井祥、永田典子、増田建、和田元、小林康一
  • 学会等名: 第31回植物脂質シンポジウム
• [学会発表] Regulatory mechanism of chloroplast development in Arabidopsis roots by a GATA transcription factor GNL. (2018)
  • 著者名/発表者名: 大西亜依、小林康一、和田元
  • 学会等名: 第59回日本植物生理学会年会
• [学会発表] The leafless mycoheterotrophic orchid Cymbidium macrorhizon performs photosynthesis during fruiting season. (2017)
  • 著者名/発表者名: Koichi Kobayashi, Kenji Suetsugu, Hajime Wada
  • 学会等名: 第58回植物生理学会年会
  • 発表場所: 鹿児島大学郡元キャンパス（鹿児島県・鹿児島市）
  • 年月日: 2017-03-16
• [学会発表] Distinct and overlapped roles of MGDG and DGDG in etioplasts of dark-grown Arabidopsis (2017)
  • 著者名/発表者名: Sho Fujii, Noriko Nagata, Tatsuru Masuda, Hajime Wada and Koichi Kobayashi
  • 学会等名: 7th Asian Symposium on Plant Lipid
  • 国際学会
• [学会発表] 根が光合成を行うとき、その制御は葉とどのように違うのか？ (2017)
  • 著者名/発表者名: 大西 亜依，和田 元，小林 康一
  • 学会等名: 日本植物学会第81回大会
• [学会発表] Regulation of chloroplast differentiation in Arabidopsis roots in response to shoot removal. (2016)
  • 著者名/発表者名: Koichi Kobayashi, Ai Ohnishi, Daichi Sasaki, Sho Fujii, Akira Iwase, Keiko Sugimoto, Tatsuru Masuda, and Hajime Wada
  • 学会等名: CSHA Symposium, Latest Advances in Plant Development & Environmental Response.
  • 発表場所: 淡路夢舞台国際会議場（兵庫県・淡路市）
  • 年月日: 2016-11-29
  • 国際学会
• [学会発表] 植物細胞における PGの合成経路とその機能 (2016)
  • 著者名/発表者名: 小林康一、遠藤嘉一郎、藤井祥、Ying-Chen Lin、Chun-Hsien Hung、中村友輝、和田元
  • 学会等名: 第29回植物脂質シンポジウム
  • 発表場所: 大阪大学豊中キャンパス（大阪府・大阪市）
  • 年月日: 2016-11-25
• [学会発表] Specific roles and functional overlaps of thylakoid anionic lipids. (2016)
  • 著者名/発表者名: Koichi Kobayashi, Kaichiro Endo, Sho Fujii, and Hajime Wada
  • 学会等名: 22nd International Symposium on Plant Lipids
  • 発表場所: ゲッチンゲン大学, ゲッチンゲン (ドイツ)
  • 年月日: 2016-07-03
  • 国際学会
• [学会発表] Specific roles and functional overlaps of thylakoid anionic lipids in Arabidopsis (2016)
  • 著者名/発表者名: Koichi Kobayashi, Kaichiro Endo, Hajime Wada
  • 学会等名: 第57回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 岩手大学上田キャンパス（岩手県・盛岡市）
  • 年月日: 2016-03-18
• [学会発表] 光合成生物におけるPGとSQDGの機能 (2015)
  • 著者名/発表者名: 小林康一、遠藤嘉一郎、和田元
  • 学会等名: 第28回植物脂質シンポジウム
  • 発表場所: 上智大学四ツ谷キャンパス（東京都・千代田区）
  • 年月日: 2015-09-09
• [学会発表] シロイヌナズナの根でみる光と植物ホルモンによる光合成の制御 (2015)
  • 著者名/発表者名: 小林康一、大西亜依、藤井祥、和田元
  • 学会等名: 日本植物学会第79回大会
  • 発表場所: 新潟コンベンションセンター（新潟県・新潟市）
  • 年月日: 2015-09-06
• [学会発表] 葉緑体機能におけるPGと糖脂質の関係 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小林康一、藤井祥、遠藤嘉一郎、堀遥香、和田元
  • 学会等名: 第27回植物脂質シンポジウム
  • 発表場所: 静岡市産学交流センター（静岡県、静岡市）
  • 年月日: 2014-11-28 – 2014-11-29
• [学会発表] Regulation of chloroplast differentiation in Arabidopsis roots (2014)
  • 著者名/発表者名: K Kobayashi, T Masuda, H Wada
  • 学会等名: Japanese-Finnish Seminar 2014
  • 発表場所: ホテルミリオーネ（北海道、札幌市）
  • 年月日: 2014-10-09 – 2014-10-14
• [学会発表] シロイヌナズナの葉緑体バイオジェネシスにおける酸性膜脂質の役割 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小林康一、藤井祥、堀遥香、和田元
  • 学会等名: 日本植物学会第78回大会
  • 発表場所: 明治大学生田キャンパス（神奈川県、川崎市）
  • 年月日: 2014-09-12 – 2014-09-14
• [学会発表] シロイヌナズナを用いた葉緑体発達制御機構の解明 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小林康一
  • 学会等名: 日本植物学会第78回大会
  • 発表場所: 明治大学生田キャンパス（神奈川県、川崎市）
  • 年月日: 2014-09-12 – 2014-09-14
  • 招待講演
• [学会発表] Coordination of galactolipid synthesis with formation of photosynthetic complexes and organelle differentiation (2014)
  • 著者名/発表者名: K Kobayashi, S Fujii, Y Nakamura, T Masuda, H Ohta, H Wada
  • 学会等名: 21st International Symposium on Plant Lipids
  • 発表場所: Guelph, Canada
  • 年月日: 2014-07-06 – 2014-07-11
• [備考] 小林康一研究室
  • URL: https://sites.google.com/view/kobayashi-lab/
• [備考] プレスリリース：モヤシは糖脂質で精巧な「ジャングルジム」を細胞内小器官の内部に作る
  • URL: https://www.osakafu-u.ac.jp/press-release/pr20180806/
• [備考] 地上部（葉と茎）を無くしたら根で光合成をすればいい？
  • URL: http://www.c.u-tokyo.ac.jp/info/news/topics/files/201702231400topics-n.pdf
• [備考] 植物が緑になるか否かはどう決まる？ – 根で葉緑体の発達をコントロールするしくみ
  • URL: https://academist-cf.com/journal/?p=3812
• [備考] 和田・小林研究室ホームページ
  • URL: http://hajimewada.c.u-tokyo.ac.jp/index.html
• [備考] 東京大学 大学院総合文化研究科 トピックス 「発芽初期の膜合成が葉緑体の運命を左右する」
  • URL: http://www.c.u-tokyo.ac.jp/info/news/topics/20141023141201.html
• [備考] 東京大学 大学院総合文化研究科 和田・小林研究室
  • URL: http://hajimewada.c.u-tokyo.ac.jp/