窒素栄養欠乏に応答した植物ステージゲート制御機構の全容解明

• 研究領域: 不均一環境変動に対する植物のレジリエンスを支える多層的情報統御の分子機構
• 研究課題/領域番号: 21H05644
• 研究種目: 学術変革領域研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 学術変革領域研究区分(Ⅲ)
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 佐藤 長緒 北海道大学, 理学研究院, 准教授 (50609724)
• 研究期間 (年度): 2021-09-10 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 9,360千円 (直接経費: 7,200千円、間接経費: 2,160千円); 2022年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 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: 環境応答 / リン酸化 / 窒素 / 花成 / 代謝

研究開始時の研究の概要

窒素栄養は，植物の代謝における重要度が非常に高く，バイオマスや種子収量に大きな影響を与える。そのため植物は，窒素源の獲得状況に応じて，土壌からの取込みや細胞内代謝を柔軟に変化させながら自身の成長を最適化している。さらに，より継続的で厳しい栄養欠乏と判断した場合は，成長相の転換により個体レベルでの応答を誘導する。しかし，栄養欠乏度合いや期間に応じて，代謝適応から成長相転換へと応答段階を移行する分子機構については不明な点が多い。本研究では，これまで申請者らが同定した窒素応答性花成制御因子の機能に着目し，植物の窒素応答性ステージゲート制御機構の全容解明を目指す。

研究実績の概要

本研究では，植物が異なる時間スケールの栄養欠乏ストレスに対して誘導する応答について，その制御機構の解明を目指している。最近申請者らは，栄養素の中でも特に重要な窒素に着目し，窒素応答性花成制御を担う鍵因子として転写因子FBH4および上流キナーゼSnRK1を同定し，長年謎であった窒素欠乏による花成早期化の分子機構の一端を明らかにした。本研究では，こうした鍵因子の機能に着目し，植物が細胞内における短期的な栄養欠乏応答から長期的・個体レベルでの応答段階へと移行する際の分子スイッチ機構について解明を目指す。主に，下記3研究課題に関する詳細な解析を効率的に実施する。
研究課題 1）短期的および長期的な窒素欠乏に応じたFBH4機能変換機構の解析
研究課題 2）窒素応答性成長相転換を誘導する上流シグナル機構の解析
研究課題 3）成長相転換制御における光周期シグナルと窒素シグナル統合機構の解析
当該年度は，ChIP-seq解析に取組み，FBH4が制御する標的遺伝子についてグローバルな情報を得た。また，これまであまり分かっていなかった窒素欠乏におけるエピゲノムシグナルの変動についても新たな知見が得られた。また，これまでのIP-MS解析で得られた情報からFBH4機能とリン酸化修飾や相互作用因子について解析した。加えて，上流キナーゼSnRK1の活性変動について，窒素欠乏時の代謝物変動との関連を解析し，どういった代謝物がSnRK1活性制御に影響するかについてin vivoおよびin vitroでの解析が可能となった。

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] KU Luven/ゲント大学(ベルギー)
• [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] 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] 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] 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] 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 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] 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
• [学会発表] Transcription factor FBH4 mediates the regulation of flowering time and metabolism under low nitrogen conditions in Arabidopsis (2023)
  • 著者名/発表者名: Miho Sanagi, Akio Kubo, Van Quoc Giang, Kana Nakao, Soichi Inagaki, Junpei Takagi, Takeo Sato
  • 学会等名: Nitrogen 2023
  • 国際学会
• [学会発表] シロイヌナズナにおける窒素欠乏時の代謝と花成制御に関与する転写因子の機能解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 眞木 美帆、Van Quoc Giang、久保 晃生、佐藤 靖武，高木 純平，佐藤 長緒
  • 学会等名: 第39回日本植物バイオテクノロジー学会（堺）大会
• [学会発表] 栄養シグナルによる植物の成長相転換制御機構 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤長緒
  • 学会等名: 植物の栄養研究会
  • 招待講演
• [備考] https://www.sci.hokudai.ac.jp/CSF2-web/
• [備考] 研究室HP
  • URL: https://www.sci.hokudai.ac.jp/CSF2-web/