光環境レジリエンスを支えるフォトトロピンの情報統御とプロテオーム多様化機構

• 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: 21H05665
• 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: 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): 2021-09-10 – 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: 青色光 / 光合成 / フォトトロピン / 細胞膜H+-ATPase / 気孔開口 / 紫外線

研究開始時の研究の概要

太陽から地上に降り注ぐ光は、一日のうちでゆらぎを伴い刻一刻と変化する。このような不均一・不規則な光環境に適応するため、植物は紫外線から可視光領域に至る多様な光質を感知する光受容体群を備えるとともに、光合成の活動変動をシグナルとして利用し、これらの情報を統合することで、光合成機能や成長を最適化する。本研究では、このような光環境情報の統御機構に焦点をあて、青色光受容体フォトトロピンを中心とした光受容体・光合成シグナリングのクロストーク機構を解明する。また、光受容体キナーゼであるフォトトロピンが光情報を化学情報へと変換し、プロテオームを多様化させる分子機構の解明を目指す。

研究実績の概要

本研究では、植物の不均一光環境への適応機構を明らかにすることを目的として、青色光受容体フォトトロピンと光合成との情報統御を介した気孔開口の分子機構の解明に取り組んでいる。光に応答した気孔開口には、光合成に依存した反応とシグナルとして作用する青色光特異的な反応が存在し、両者の間には相乗効果が存在する。青色光による気孔開口では、フォトトロピンは細胞膜H+-ATPaseのC末端から2番目のThr残基のリン酸化を引き起こす。このリン酸化に依存して14-3-3タンパク質が結合することで、C末端の自己阻害領域による抑制が解除され、H+-ATPaseは活性化すると考えられてきた。しかし、これを遺伝学的に証明した例はない。本研究では、孔辺細胞プロトプラストを用いたリン酸化プロテオーム解析から、H+-ATPaseのC末端から2番目のThr残基に加えて、その上流領域に存在する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た。アミノ酸置換の手法を用いた機能解析から、この2箇所のThr残基のリン酸化はともに細胞膜H+-ATPaseの活性化と気孔開口に必須であることが分かった。さらに、上流領域のThr残基は青色光のみならず、光合成に依存してリン酸化されることを見出した。以上の結果から、細胞膜H+-ATPaseの活性は孔辺細胞光合成と青色光シグナルによる2カ所のThr残基のリン酸化によって統合的に制御されることが明らかとなった。これらのメカニズムは孔辺細胞が自身の光合成の活動変動と青色光のシグナルを統合し、不均一光環境下で気孔開口を厳密に制御する上で重要であると考えられる。

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

• [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] 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] 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] 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] 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] 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
• [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