光シグナルと概日時計による周期的気孔開閉の制御とその意義

• 研究領域: 細胞システムの自律周期とその変調が駆動する植物の発生
• 研究課題/領域番号: 22H04726
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 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): 2022-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 7,540千円 (直接経費: 5,800千円、間接経費: 1,740千円); 2023年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2022年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
• キーワード: 気孔開口 / 概日時計 / フォトトロピン / 青色光 / 孔辺細胞 / 気孔

研究開始時の研究の概要

気孔は日中の光照射下で開口し、光合成に必要なCO2の取り込みや蒸散を介した根からの水や無機養分の吸収を促進する。一方、気孔は光合成の起きない夜間に閉鎖し、植物体からの水損失を防いでいる。このような気孔開閉の周期構造は、光情報の有無に加え、概日時計との情報統御によって生み出される。本研究では、光シグナルと概日時計のクロストークにより表出する気孔開閉の周期構造の形成メカニズムを解明する。さらに、気孔の開閉周期が蒸散流を介して個体全体の周期情報を統合する可能性を検証する。これにより気孔開閉の周期構造の意義とメカニズムの解明を目指す。

研究実績の概要

気孔の開閉は光などの外的要因と概日時計による内的要因のクロストークにより周期的に制御される。しかし、その分子機構については不明な点が多い。本年度は、気孔が常に開き気味で周期性を失うcca1 lhy変異体と、気孔が常に閉じ気味で周期性を失うprr5 prr7 prr9変異体を用いて、気孔開閉不全の原因について解析を進めた。まず、気孔が常に開口するcca1 lhy変異体に気孔閉鎖を誘導するアブシシン酸（ABA）を与えたところ、この変異体ではABAに応答して気孔が有意に閉鎖することが分かった。次に、気孔が常に閉鎖するprr5 prr7 prr9変異体では、青色光に応答した気孔開口の阻害が見られたが、細胞膜H+-ATPaseの活性化剤であるfusicoccinを与えたところ、気孔が有意に開口することが分かった。このことから、概日時計は青色光によるH+-ATPaseの活性化に至るシグナル伝達の制御を通じて、気孔開閉の周期性を制御する可能性が示唆される。
次に、概日時計が孔辺細胞の転写制御を通じて気孔開閉の周期性を制御する可能性について、野生株とcca1 lhy変異体、prr5 prr7 prr9変異体を対象として、時系列のRNA-Seq解析を行った。明暗条件で生育させた植物体を恒明条件に移し、ZT48からZT68にかけて4時間おきに孔辺細胞を濃縮した表皮を単離し、解析を行った。その結果、野生株において顕著な発現変動を示すものが4,373遺伝子抽出された。さらに、cca1 lhy変異体とprr5 prr7 prr9変異体において発現変動が低下し、且つその発現が逆転するものを絞り込んだ結果、149遺伝子が抽出された。これらの因子の中に気孔開閉の周期性の制御に関わるものが含まれる可能性が示唆される。

現在までの達成度 (段落)

令和5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5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] 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
• [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: 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] 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
• [備考]
  • URL: https://www.yamaguchi-u.ac.jp/weekly/28916/index.html