長距離シグナリングを介した変動環境への適応機構

2016 年度 実績報告書

• 研究領域: 植物の成長可塑性を支える環境認識と記憶の自律分散型統御システム
• 研究課題/領域番号: 15H05957
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 松林 嘉克 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (00313974)
• 研究分担者: 望田 啓子 (桑田啓子) 名古屋大学, トランスフォーマティブ生命分子研究所, 特任助教 (70624352)
• 研究期間 (年度): 2015-06-29 – 2020-03-31
• キーワード: ペプチドホルモン / 維管束 / 窒素栄養 / 環境応答

研究実績の概要

自然界では，土壌中の窒素栄養分は極めて不均一に存在する．そのため，植物はあらゆる方向に根を張りめぐらせつつ，一部の根で窒素欠乏を感知した時に，特異的なペプチドシグナルCEPを介して他の根で相補的により多くの窒素を取り込むしくみを備えている．本研究では，この全身的窒素要求シグナリング系をモデルとして，根から葉に移行したCEPが受容体に認識された後に，葉でつくられ篩管を通って再び根に移行すると想定される2 次シグナルの解明を中心に，長距離シグナル伝達を介した植物の巧みな栄養環境応答の全体像の解明に挑んでいる．今年度は，CEPの下流で働く新しい長距離移行シグナルの同定に成功した．CEPは窒素欠乏時に根で誘導され，道管を通って葉の師部側にある受容体CEPR1に認識されるが，その下流で師管内を根へ移行するポリペプチドCEPD1およびCEPD2を見出した（Nature Plants 2017）．根に移行したCEPDは，硝酸取り込み輸送体であるNRT2.1の発現を特異的に上昇させる．この発見により，全身的窒素要求シグナリングの基本的な分子メカニズムが明らかとなった．また，ゲノム情報に基づいたペプチドホルモン探索により，植物の根の拡散障壁であるカスパリー線の形成に必要なペプチドホルモンの同定に成功した（Science 2017）．Casparian strip Integrity Factor（CIF）と命名した21アミノ酸のチロシン硫酸化ペプチドは，根の中心柱で発現し，内皮細胞で発現する受容体GSO1/SGN3に特異的に結合する．これらを欠損する植物は，根のカスパリー線に穴があき，濃度勾配依存的に外界からイオンが道管に流入または道管から流出するため，至適栄養条件以外では成長が阻害されることが明らかとなった．

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

今年度は，全身的な窒素要求シグナリングに関わるペプチドホルモンCEPの下流で葉から根へ長距離移行するポリペプチドの同定に成功した．この分子は，長距離シグナル伝達を介した植物の巧みな栄養環境応答の解明を目指した本計画研究の中心的課題であり，それが2年目で達成できたことは，予想以上の進展である．この成果はNature Plants誌に掲載され，同誌のNews and Viewsで紹介されるなど，国際的に高く評価された．また，ゲノム情報に基づいたペプチドホルモン探索により，植物の根の拡散障壁であるカスパリー線の形成に必要なペプチドホルモンの同定に成功した．カスパリー線は根のイオン恒常性に重要な役割を果たす構造体である．Science誌に掲載された本論文は，Science誌のThis Week in Scienceで取り上げられたり，Nature Plants誌のResearch Highlightに紹介記事が掲載されるなど，高く評価された．

今後の研究の推進方策

全身的窒素要求シグナリングにおいて，リガンドCEPから受容体CEPRを介して2次シグナルCEPDが誘導されるまでの経路が明らかとなった．これらの発見により，全身的窒素要求シグナリングの基本的な分子メカニズムが明らかとなった．今後は，葉から根に移行したCEPDがどのようにしてNRT2.1の発現を上昇させているかを解析していく．また，CEPDをマーカーとして，蒸散流が，どのように根由来シグナルの移行・濃縮や維管束内での情報伝達に関与しているか，維管束や気孔開口の専門家と協力して解析する予定である．

研究成果

• [雑誌論文] A peptide hormone required for Casparian strip diffusion barrier formation in Arabidopsis roots (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakayama T, Shinohara H, Tanaka M, Baba K, Ogawa-Ohnishi M, Matsubayashi Y.
  • 雑誌名: Science 巻: 355 ページ: 284-286
  • DOI: 10.1126/science.aai9057
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Shoot-to-root mobile polypeptides involved in systemic regulation of nitrogen acquisition (2017)
  • 著者名/発表者名: Ohkubo Y., Tanaka M., Tabata R., Ogawa-Ohnishi M., Matsubayashi Y.
  • 雑誌名: Nature Plants 巻: 3 ページ: 17029
  • DOI: 10.1038/nplants.2017.29
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Cryptic bioactivity capacitated by synthetic hybrid plant peptides (2017)
  • 著者名/発表者名: Hirakawa Y, Shinohara H, Welke K, Irle S, Matsubayashi Y, Torii KU, Uchida N.
  • 雑誌名: Nature Commun. 巻: 8 ページ: 14318
  • DOI: 10.1038/ncomms14318
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Identification of three LRR-RKs involved in perception of root meristem growth factor in Arabidopsis (2016)
  • 著者名/発表者名: Shinohara H, Mori A, Yasue N, Sumida K, Matsubayashi Y.
  • 雑誌名: Proc Natl Acad Sci U S A 巻: 113 ページ: 3897-3902
  • DOI: 10.1073/pnas.1522639113
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Loss of function at RAE2, a previously unidentified EPFL, is required for awnlessness in cultivated Asian rice (2016)
  • 著者名/発表者名: Bessho-Uehara K, Wang DR, Furuta T, Minami A, Nagai K, Gamuyao R, Asano K, Angeles-Shim RB, Shimizu Y, Ayano M, Komeda N, Doi K, Miura K, Toda Y, Kinoshita T, Okuda S, Higashiyama T, Nomoto M, Tada Y, Shinohara H, Matsubayashi Y, Greenberg A, Wu J, Yasui H, Yoshimura A, Mori H, McCouch SR, Ashikari M.
  • 雑誌名: Proc Natl Acad Sci U S A 巻: 113 ページ: 8969-8674
  • DOI: 10.1073/pnas.1604849113
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Long-distance peptide signaling essential for nutrient homeostasis in plants (2016)
  • 著者名/発表者名: Okamoto S, Tabata R, Matsubayashi Y.
  • 雑誌名: Curr Opin Plant Biol 巻: 34 ページ: 35-40
  • DOI: 10.1016/j.pbi.2016.07.009
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Identification of novel peptide ligand-receptor pairs in plants (2016)
  • 著者名/発表者名: Matsubayashi Y.
  • 学会等名: Cold Spring Harbor Asia conference on Latest Advances in Plant Development & Environmental Responses
  • 発表場所: Awaji, Japan
  • 年月日: 2016-11-29
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Long-distance mobile peptides mediate systemic nitrogen-demand signaling (2016)
  • 著者名/発表者名: Matsubayashi Y.
  • 学会等名: The 4th European Workshop on Peptide Signalling in Plants
  • 発表場所: Bischoffsheim, France
  • 年月日: 2016-09-02
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Long-distance mobile peptides mediate systemic nitrogen-demand signaling (2016)
  • 著者名/発表者名: Matsubayashi Y.
  • 学会等名: EMBO conference ‘The nitrogen nutrition of plants - Nitrogen2016’
  • 発表場所: Montpellier, France
  • 年月日: 2016-08-24
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Root-to-shoot mobile peptides mediate systemic nitrogen-demand signaling (2016)
  • 著者名/発表者名: Matsubayashi Y.
  • 学会等名: Plant Biology 2016
  • 発表場所: Austin, Texas
  • 年月日: 2016-07-12
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Identification of novel peptide ligand-receptor pairs in plants (2016)
  • 著者名/発表者名: Matsubayashi Y.
  • 学会等名: The 27th International Conference on Arabidopsis Research (ICAR)
  • 発表場所: Gyeong Ju, Korea
  • 年月日: 2016-07-01
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Identification of novel peptide hormones in plants (2016)
  • 著者名/発表者名: Matsubayashi Y.
  • 学会等名: The 22nd International Plant Growth Substances Association (IPGSA) conference
  • 発表場所: Toronto, Canada
  • 年月日: 2016-06-21
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 名古屋大学大学院理学研究科生命理学専攻｜細胞間シグナル研究グループ
  • URL: http://www.bio.nagoya-u.ac.jp/~b2/