植物の栄養飢餓とオートファジー

• 研究領域: 大地環境変動に対する植物の生存・成長突破力の分子的統合解析
• 研究課題/領域番号: 25119703
• 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: 東北大学
• 研究代表者: 石田 宏幸 東北大学, (連合)農学研究科(研究院), 准教授 (60312625)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014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); 2014年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2013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: オートファジー / シロイヌナズナ / 葉緑体 / 栄養飢餓 / 光合成 / 老化

研究実績の概要

独立栄養生物である植物にとって、獲得した貴重な無機栄養素やエネルギーの体内での効率利用・リサイクルは、過酷な環境下での生存・成長戦略の一つとして重要な意味を持つ。本研究では真核生物に普遍的に備わる細胞自己分解システム・オートファジーや、オートファジーによる葉緑体タンパク質の特異的な分解経路（RCB経路）が、植物の栄養飢餓応答に果たす役割について明らかにすることを目的とし、今年度は以下の項目を中心に解析を進めた。
（1）各種無機栄養素の欠乏耐性とオートファジー
シロイヌナズナのオートファジー欠損変異体（Atatg5-1, Atatg10-1）では、無機栄養素の中でも特に亜鉛の欠乏条件下で下位葉の枯死や生存率の低下が顕著であった。野生体では亜鉛欠乏によりオートファジーの誘導が確認された。atg変異体では、野生体に対して培地からの亜鉛の吸収量や葉や根への分配比に差がないことから、オートファジーに依存した亜鉛の細胞内リサイクルが亜鉛欠乏耐性に重要な役割を果たしていることが示唆された。
（2）光合成制限下でのエネルギー供給系としてのオートファジーの役割
光合成制限下ではオートファジーが糖に代わる呼吸基質としてのアミノ酸供給に寄与していることが示唆されている。今年度はAtatg変異体、アミノ酸異化代謝系酵素の欠損変異体（ivdh-1, d2hgdh1-2, etfqo-1, gdh1-2 gdh2-1）、及びそれらの多重変異体の暗処理下での表現形や遊離アミノ酸プールの変動を解析することで、オートファジーとアミノ酸異化代謝系の関係性を示した。

現在までの達成度 (段落)

26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

26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] Establishment of monitoring methods for autophagy in rice reveals autophagic recycling of chloroplasts and root plastids during energy limitation. (2015)
  • 著者名/発表者名: Izumi M, Hidema J, Wada S, Kondo E, Kurusu T, Kuchitsu K, Makino A, Ishida H.
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: 169 号: 4 ページ: 1307-1320
  • DOI: 10.1104/pp.114.254078
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Autophagy supports biomass production and nitrogen use efficiency at the vegetative stage in rice (2015)
  • 著者名/発表者名: Wada S, Hayashida Y, Izumi M, Kurusu T, Hanamata S, Kanno K, Kojima S, Yamaya T, Kuchitsu K, Makino A, Ishida H
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: in press 号: 1 ページ: 60-73
  • DOI: 10.1104/pp.15.00242
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Roles of autophagy in chloroplast recycling (2014)
  • 著者名/発表者名: Ishida H, Izumi M, Wada S and Makino A
  • 雑誌名: Biochim. Biophys. Acta 巻: 1837 (4) 号: 4 ページ: 512-521
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2013.11.009
  • 査読あり
• [雑誌論文] OsATG7 is required for autophagy-dependent lipid metabolism in rice postmeiotic anther development (2014)
  • 著者名/発表者名: Takamitsu Kurusu, Tomoko Koyano, Shigeru Hanamata, Takahiko Kubo, Yuhei Noguchi, Chikako Yagi, Noriko Nagata, Takashi Yamamoto, Takayuki Ohnishi, Yozo Okazaki, Nobutaka Kitahata, Daichi Ando, Masaya Ishikawa, Shinya Wada, Akio Miyao, Hirohiko Hirochika, Hiroaki Shimada, Amane Makino, Kazuki Saito, Hiroyuki Ishida, Tetsu Kjnoshita, Nori Kurata and Kazuyuki Kuchitsu^*
  • 雑誌名: Autophagy 巻: 10(5) 号: 5 ページ: 878-888
  • DOI: 10.4161/auto.28279
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Deficiency of autophagy leads to significant changes of metabolic profiles in Arabidopsis. (2013)
  • 著者名/発表者名: Izumi M, Hidema J, Ishida H
  • 雑誌名: Plant Signaling & Behavior 巻: 8 号: 8 ページ: 443-443
  • DOI: 10.4161/psb.25023
  • 査読あり
• [学会発表] シロイヌナズナの亜鉛欠乏条件下におけるオートファジーの役割 (2015)
  • 著者名/発表者名: 江口雅丈，木村和彦，和田慎也，泉正範，牧野周，石田宏幸
  • 学会等名: 日本植物生理学会
  • 発表場所: 東京農業大学、世田谷
  • 年月日: 2015-03-16 – 2015-03-18
• [学会発表] シロイヌナズナの暗処理による炭素欠乏条件下でオートファジーは分岐鎖アミノ酸を代替呼吸基質として供給する (2015)
  • 著者名/発表者名: 弘田隆晃，泉正範，牧野周，石田宏幸
  • 学会等名: 日本植物生理学会
  • 発表場所: 東京農業大学、世田谷
  • 年月日: 2015-03-16 – 2015-03-18
• [学会発表] シロイヌナズナにおける糖欠乏下でのオートファジーの役割の解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 弘田隆晃、泉正範、牧野周、石田宏幸
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会
  • 発表場所: 東京農工大学、府中
  • 年月日: 2014-09-09 – 2014-09-11
• [学会発表] シロイヌナズナにおけるオートファジーの欠損が各栄養素の欠乏時の生存と成長に及ぼす影響の解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 江口雅丈、泉正範、牧野周、石田宏幸
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会
  • 発表場所: 東京農工大学、府中
  • 年月日: 2014-09-09 – 2014-09-11
• [学会発表] Autophagy for Photodamaged Chloroplast in Arabidopsis (2014)
  • 著者名/発表者名: Izumi，M., Ishida，H., Makino，A., Hidema, J.
  • 学会等名: 日本植物生理学会
  • 発表場所: 富山（富山大学）
• [学会発表] オートファジーの欠損がイネの栄養成長と窒素転流へ与える影響の解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 林田泰和、和田慎也、来須孝光、朽津和幸、牧野周、石田宏幸
  • 学会等名: 日本植物生理学会
  • 発表場所: 富山（富山大学）
• [学会発表] 植物の栄養リサイクルと葉緑体のオートファジー (2014)
  • 著者名/発表者名: 石田宏幸
  • 学会等名: 日本農芸化学会シンポジウム
  • 発表場所: 生田（明治大学）
  • 招待講演
• [学会発表] イネオートファジー欠損変異体Osatg7 の生理解析－ ( その１) 栄養成長期における個体生育について－ (2013)
  • 著者名/発表者名: 和田慎也、林田泰和、来須孝光、朽津和幸、牧野周、石田宏幸
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会
  • 発表場所: 名古屋（名古屋大学）
• [学会発表] イネオートファジー欠損変異体Osatg7 の生理解析－（その２）葉の老化過程における窒素転流への影響について－ (2013)
  • 著者名/発表者名: 林田泰和、和田慎也、来須孝光、朽津和幸、牧野周、石田宏幸
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会
  • 発表場所: 名古屋（名古屋大学）
• [学会発表] イネにおけるRubisco-containing body/ オートファジー系の可視化 (2013)
  • 著者名/発表者名: 泉正範、日手間純、近藤依里、牧野周、石田宏幸
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会
  • 発表場所: 名古屋（名古屋大学）
• [学会発表] Role of autophagy in Rubisco degradation during leaf senescence (2013)
  • 著者名/発表者名: Ishida, H., Ono, Y., Wada, S., Izumi, M., Yoshimoto, K., Mae, T., Makino, A.
  • 学会等名: 6th European Workshop on Leaf Senescence
  • 発表場所: フランス（INRA-Versailles）
• [学会発表] Identification of a rice autophagy defected mutant, OsATG7, and phenotypes in the life cycle (2013)
  • 著者名/発表者名: Wada, S., Hatyashida, Y., Kurusu, T., Kuchitsu, K., Makino, A., Ishida, H.
  • 学会等名: 6th European Workshop on Leaf Senescence
  • 発表場所: フランス（INRA-Versailles）
• [学会発表] Autophagy in plant energy availability (2013)
  • 著者名/発表者名: Izumi, M., Hirota, T., Hidema, J., Makino, A.
  • 学会等名: 6th European Workshop on Leaf Senescence
  • 発表場所: フランス（INRA-Versailles）