乾燥及び温度ストレスに対する植物の時空間的応答と記憶の分子機構

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: 15H05960
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 篠崎 和子 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 教授 (30221295)
• 研究分担者: 伊藤 秀臣 北海道大学, 理学研究院, 助教 (70582295)
• 研究期間 (年度): 2015-06-29 – 2020-03-31
• キーワード: 植物 / ストレス / 発現制御 / 転写因子 / 翻訳後調節

研究実績の概要

平成２８年度は以下の４つの研究を進めた。
水分欠乏ストレス応答機構の解明に関する研究では、水分欠乏時にABAを介さずに活性化するサブクラス I SnRK2キナーゼとその下流で働くmRNAの脱キャップ複合体の構成因子VARICOSEが、水分欠乏下において不要なmRNAの分解を活性化していることを見出した。変異体解析によって、このmRNA分解機構はストレス時の植物の成長を促進する働きを示すと考えられた。
組織間の高温ストレスシグナル伝達に関わる可能性のある因子としてペプチドに着目し、in silico解析及び質量分析器による解析から候補となるペプチドを選抜した。これらのペプチドをコードする遺伝子について過剰発現体を作出し、高温ストレス下の成長や耐性について解析した結果、野生株と比較して高温ストレス耐性試験において高い生存率を示す植物体が見出された。
マイルドな乾燥ストレス下におけるイネの成長抑制機構の研究では、種々の土壌水分条件下でイネの幼苗を生育させ、生理学的特性や代謝産物、植物ホルモンレベル、遺伝子発現を網羅的に調べた。光合成活性は影響されないようなマイルドなストレス下においても、既に顕著な生育の遅れが観察され、茎頂を含む基部において、細胞分裂関連遺伝子の発現量やサイトカイニンやIAAの減少が認められた。
高温ストレス活性型レトロトランスポゾンONSENのプロモーターにGFPを繋ぎ、これを導入した形質転換体を作製し変異原(EMS)処理した。変異集団の中の導入遺伝子及び内在性のONSENが高発現する2つの変異体で、世代を超えた高温による転移が観察された。原因因子の特定の結果、１つは既に転移することがわかっているRNA polymerase IVの機能欠損変異体であった。もう１つについては現在候補遺伝子を絞り込み、相補性検定やONSENの転移の再現性実験を行っている。

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

水分欠乏ストレスによって活性化されるサブクラスI SnRK2タンパク質キナーゼの研究では、研究結果が大きく進展しサブクラス I SnRK2キナーゼの標的がmRNAの脱キャップ複合体の構成因子VARICOSEであることを明らかにした。また、このキナーゼは水分欠乏下において活性化してVARICOSEをリン酸化することで不要なmRNAの分解を活性化していることを示した。一方、このmRNA分解機構はストレス時の植物の成長を促進する働きがあることも明らかにして論文としてまとめ、Nature姉妹誌であるNature Plantsに投稿し受理されるなど、研究は当初の計画以上に進展し画期的研究成果を得た。
長距離ストレスシグナル伝達に関しては、高温ストレスのシグナル伝達因子の候補として、高温ストレス耐性の獲得に関わるペプチドを同定した。すでに高発現体が高温ストレス耐性を示すことを明らかにしており、研究は順調に進展している。
マイルドな乾燥ストレス下におけるイネの成長抑制機構の研究は、順調に進展しており、種々の土壌水分条件下でのイネの生理学的特性、代謝産物、植物ホルモンレベル、遺伝子発現を網羅的に調べた。これらの結果から、マイルドなストレス下の植物の生育の遅れは、茎頂を含む基部においてサイトカイニンやIAAが減少することで細胞分裂関連遺伝子の発現が抑制されるためである可能性を示し、論文としてまとめPlant Journalに発表することができた。
高温ストレス活性型レトロトランスポゾンONSENの研究では、ONSENのプロモーターにGFPを繋ぎ、これを導入した形質転換体を作製し変異原(EMS)処理した変異集団の中から、2つの変異体で世代を超えた高温による転移が観察された。これらの変異体のうち１つは新規の遺伝子をコードしており、研究は着々と進展している。

今後の研究の推進方策

サブクラスI SnRK2タンパク質キナーゼの研究では、質量分析器を用いた解析法により上流で働く相互作用因子を網羅的に探索する。本キナーゼはリン酸化によって活性化することが予想されるので、上流因子候補としてキナーゼやホスファターゼに注目して機能解析を行い、SnRK2キナーゼの浸透圧ストレスによる活性化の分子機構の解明を図る。長距離ストレスシグナル伝達に関わるペプチドの探索では、その高発現体が高温ストレスに対して耐性を示したペプチドに関して機能解析を進めるため、変異体を作製する。また、高発現体を用いて高温ストレス誘導性遺伝子の発現解析を行う。マイルドな乾燥ストレス下におけるイネの成長抑制機構の研究では、茎頂における細胞分裂関連遺伝子の発現抑制機構を解析するために、数種の細胞分裂関連遺伝子やこれらの遺伝子の発現を制御する転写因子遺伝子のプロモーターとリポーター遺伝子とをイネに導入して、これらの遺伝子の転写抑制がプロモーターに起因するかどうかを確かめる。高温ストレス活性型レトロトランスポゾンONSENの研究では、ONSENの発現を指標にして、ストレス応答性の制御因子を同定し、世代を超えたストレスメモリーについて詳細に解析する。

研究成果

• [雑誌論文] ABA-unresponsive SnRK2 protein kinases regulate mRNA decay under osmotic stress in plants (2017)
  • 著者名/発表者名: Soma F†, Mogami J†, Yoshida T, Abekura M, Takahashi F, Kidokoro S, Mizoi J, Shinozaki K, Yamaguchi-Shinozaki K
  • 雑誌名: Nature Plants 巻: 3 ページ: 16204～16204
  • DOI: 10.1038/nplants.2016.204
  • 査読あり
• [雑誌論文] Temporal and spatial changes in gene expression, metabolite accumulation and phytohormone content in rice seedlings grown under drought stress conditions (2017)
  • 著者名/発表者名: Todaka D, Zhao Y, Yoshida T, Kudo M, Kidokoro S, Mizoi J, Kodaira KS, Takebayashi Y, Kojima M, Sakakibara H, Toyooka K, Sato M, Fernie AR, Shinozaki K, Yamaguchi-Shinozaki K
  • 雑誌名: Plant J. 巻: 90 ページ: 61～78
  • DOI: 10.1111/tpj.13468.
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Analysis of plant hormone profiles in response to moderate dehydration stress (2017)
  • 著者名/発表者名: Urano K, Maruyama K, Jikumaru Y, Kamiya Y, Yamaguchi-Shinozaki K, Shinozaki K
  • 雑誌名: Plant J. 巻: 90 ページ: 17～36
  • DOI: 10.1111/tpj.13460
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transcriptional Regulatory Network of Plant Heat Stress Response (2017)
  • 著者名/発表者名: Ohama N†, Sato H†, Shinozaki K, Yamaguchi-Shinozaki K
  • 雑誌名: Trends Plant Sci. 巻: 22 ページ: 53～65
  • DOI: 10.1016/j.tplants.2016.08.015
  • 査読あり
• [雑誌論文] Characterization of a heat-activated retrotransposon in natural accessions of Arabidopsis thaliana. (2017)
  • 著者名/発表者名: Masuda S, Nozawa K, Matsunaga W, Masuta Y, Kawabe A, Kato A, Ito H.
  • 雑誌名: Genes Genet Syst. 巻: 91 ページ: 293～299
  • DOI: 10.1266/ggs.16-00045
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evaluation of the yield of abiotic-stress-tolerant AtDREB1A transgenic potato under saline conditions in advance of field trials (2016)
  • 著者名/発表者名: Shimazaki T, Endo T, Kasuga M, Yamaguchi-Shinozaki K, N. Watanabe K, Kikuchi A
  • 雑誌名: Breed Sci. 巻: 66 ページ: 703～710
  • DOI: 10.1270/jsbbs.16054
  • 査読あり
• [雑誌論文] Molecular, physiological, and agronomical characterization, in greenhouse and in field conditions, of soybean plants genetically modified with AtGolS2 gene for drought tolerance (2016)
  • 著者名/発表者名: Honna PT, Fuganti-Pagliarini R, Ferreira LC, Molinari MDC, Marin SRR, de Oliveira MCN, Farias JRB, Neumaier N, Mertz-Henning LM, Kanamori N, Nakashima K, Takasaki H, Urano K, Shinozaki K, Yamaguchi-Shinozaki K, Desiderio JA, Nepomuceno AL
  • 雑誌名: Mol Breeding 巻: 36 ページ: 1～17
  • DOI: 10.1007/s11032-016-0570-z
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The Arabidopsis transcriptional regulator DPB3-1 enhances heat stress tolerance without growth retardation in rice (2016)
  • 著者名/発表者名: Sato H、Todaka D、Kudo M、Mizoi J、Kidokoro S、Zhao Y、Shinozaki K、Yamaguchi-Shinozaki K
  • 雑誌名: Plant Biotechnology Journal 巻: 14 ページ: 1756～1767
  • DOI: 10.1111/pbi.12535
  • 査読あり
• [雑誌論文] Characterization of Molecular and Physiological Responses Under Water Deficit of Genetically Modified Soybean Plants Overexpressing the AtAREB1 Transcription Factor (2016)
  • 著者名/発表者名: Marinho, JP, Kanamori, N, Ferreira, LC, Fuganti-Pagliarini R, Carvalho, JDC, Freitas RA, Marin SRR, Rodrigues FA, Mertz-Henning LM, Farias JRB, Neumaier N, de Oliveira MCN, Marcelino-Guimaraes FC, Yoshida T, Fujita Y, Yamaguchi-Shinozaki K, Nakashima K, Nepomuceno AL
  • 雑誌名: Plant Molecular Biology Reporter 巻: 34 ページ: 410～426
  • DOI: 10.1007/s11105-015-0928-0
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Inducible Transposition of a Heat-Activated Retrotransposon in Tissue Culture (2016)
  • 著者名/発表者名: Masuta Y, Nozawa K, Takagi H, Yaegashi H, Tanaka K, Ito T, Saito H, Kobayashi H, Matsunaga W, Masuda S, Kato A, Ito H
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 58 ページ: 375～384
  • DOI: 10.1093/pcp/pcw202
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Stress-Activated Transposon in Arabidopsis Induces Transgenerational Abscisic Acid Insensitivity (2016)
  • 著者名/発表者名: Ito H, Kim JM, Matsunaga W, Saze H, Matsui A, Endo TA, Harukawa Y, Takagi H, Yaegashi H, Masuta Y, Masuda S, Ishida J, Tanaka M, Takahashi S, Morosawa T, Toyoda T, Kakutani T, Kato A, Seki M
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 ページ: 1～12
  • DOI: 10.1038/srep23181
  • 査読あり
• [学会発表] シロイヌナズナのストレス応答性転写因子DREB2Aの翻訳後調節におけるリン酸化制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 溝井順哉、金澤夏美、秦峰、城所聡、篠崎一雄、篠崎和子
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] イネにおける種々の強さの乾燥ストレスに対する応答の網羅的解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 戸高大輔、趙宇、吉田拓也、工藤まどか、Alisdair R. Fernie、篠崎一雄、篠崎和子
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] シロイヌナズナの低温応答におけるCAMTAファミリー転写因子の機能解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 城所聡、米田考志、高崎寛則、高橋史憲、篠崎一雄、篠崎和子
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] シロイヌナズナにおいて二群のCIPKタンパク質キナーゼが海水浸潤条件下での成長を調節している (2017)
  • 著者名/発表者名: 最上惇郎、篠崎一雄、篠崎和子
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] 植物の高温ストレス応答の初期で働く転写因子HsfA1の活性制御機構の解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大濱直彦、草壁和也、溝井順哉、趙慧美、城所聡、小泉慎也、高橋史憲、篠崎一雄、篠崎和子
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] 高温ストレス下における植物の生長制御機構の解明 (2017)
  • 著者名/発表者名: 小泉慎也、城所聡、中嶋正敏、大濱直彦、浅見忠男、篠崎一雄、篠崎和子
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] Functional analysis of a drought-responsive transcription factor OsbHLHa (2017)
  • 著者名/発表者名: Yu Zhao, Daisuke Todaka, Madoka Kudo, Satoshi Kidokoro, Kazuko Yamaguchi-Shinozaki
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] 複数遺伝子の導入による乾燥ストレス耐性植物の生長促進制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 工藤まどか、城所聡、吉田拓也、溝井順哉、戸高大輔、Alisdair R. Fernie、篠崎一雄、篠崎和子
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] Functional Analysis of 70 kDa Heat Shock Proteins in Arabidopsis (2017)
  • 著者名/発表者名: Huimei Zhao, Naohiko Ohama, Shinya Koizumi, Kazuya Kusakabe, Junya Mizoi, Satoshi Kidokoro, Kazuo Shinozaki, Kazuko Yamaguchi-Shinozaki
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] 浸透圧ストレス下におけるアブシシン酸非応答性SnRK2を介したmRNA分解制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 相馬史幸、最上惇郎、吉田拓也、阿部倉緑、高橋史憲、城所聡、溝井順哉、篠崎一雄、篠崎和子
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] シロイヌナズナにおけるプロテインキナーゼSnRK2を介した浸透圧ストレス応答を制御する新奇相互作用因子の探索 (2017)
  • 著者名/発表者名: 佐藤花綸、最上惇郎、相馬史幸、野元美佳、多田安臣、高橋史憲、篠崎一雄、篠崎和子
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] 乾燥ストレス応答におけるシロイヌナズナPIF4遺伝子の転写制御機構の解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 山村優太、城所聡、Jin-Seok Moon、佐藤輝、有賀遥平、戸高大輔、溝井順哉、篠崎一雄、篠崎和子
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] ストレス応答性転写因子DREB2Aにおけるリン酸化に関する解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 金澤夏美、溝井順哉、高橋史憲、篠崎一雄、篠崎和子
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] 気孔制御に関わる AtABCG21/AtABCG22 の解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 黒森崇、杉本絵理子、大開暖香、篠崎和子、篠崎一雄
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] 乾燥ストレス下の ABA 合成欠損変異体における植物ホルモン合成機構の解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 浦野薫、圓山恭之進、軸丸祐輔、神谷勇治、篠崎和子、篠崎一雄
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] 乾燥ストレス応答を制御する低分子ペプチドの同定 (2017)
  • 著者名/発表者名: 高橋史憲、鈴木健裕、刑部祐里子、別役重之、堂前直、福田裕穂、篠崎和子、篠崎一雄
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] Identication of a Novel Candidate Transcription Factor That Activates the NCED3 Gene Expression under Drought Stress Conditions (2017)
  • 著者名/発表者名: Hikaru Sato, Hironori Takasaki, Fuminori Takahashi, Satoshi Iuchi, Nobutaka Mitsuda, Masaru Ohme-Takagi, Kazuko Yamaguchi-Shinozaki, Kazuo Shinozaki
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会年会
  • 国際学会
• [学会発表] Transcriptional Regulatory Networks Controlling Plant Growth and Stress Tolerance Under Osmotic Stress Conditions (2016)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi-Shinozaki K
  • 学会等名: Gordon Research Conference Salt & Water Stress in Plants
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Analysis of activation mechanisms of Group A1 heat shock transcription factors (2016)
  • 著者名/発表者名: Ohama N, Kusakabe K, Mizoi J, Zhao H, Kidokoro S, Koizumi S, Takahashi F, Ishida T, Yanagisawa S, Shinozaki K, Yamaguchi-Shinozaki K
  • 学会等名: Gordon Research Conference Salt & Water Stress in Plants
  • 国際学会
• [学会発表] Two distinct clades of CIPK protein kinases mediate plant growth under seawater conditions in Arabidopsis (2016)
  • 著者名/発表者名: Mogami J, Shinozaki K, Yamaguchi-Shinozaki K
  • 学会等名: Gordon Research Conference Salt & Water Stress in Plants
  • 国際学会
• [学会発表] Functional analysis of ABA-unresponsive SnRK2s under osmotic stress in Arabidopsis (2016)
  • 著者名/発表者名: Soma F, Mogami J, Yoshida T, Abekura M, Takahashi F, Kidokoro S, Mizoi J, Shinozaki K, Yamaguchi-Shinozaki K
  • 学会等名: Gordon Research Conference Salt & Water Stress in Plants
  • 国際学会
• [学会発表] Enhancement of heat stress tolerance in rice by overexpressing Arabidopsis transcriptional regulator DPB3-1/NF-YC10 (2016)
  • 著者名/発表者名: Sato H, Todaka D, Kudo M, Mizoi J, Kidokoro S, Zhao Y, Shinozaki K, Yamaguchi-Shinozaki K
  • 学会等名: 27th International Conference on Arabidopsis Research
  • 国際学会
• [学会発表] Transcriptional regulatory networks controlling stress tolerance and plant growth under abiotic stress conditions in crops (2016)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi-Shinozaki K
  • 学会等名: The 7th International Crop Science Congress
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Functional analysis of the negative regulatory domain in the post-translational regulation of the AP2/ERF-type transcription factor DREB2A in Arabidopsis (2016)
  • 著者名/発表者名: Mizoi J, Qin F, Kidokoro S, Shinozaki K, Yamaguchi-Shinozaki K
  • 学会等名: the Cold Spring Harbor Asia conference on Latest Advances in Plant Development & Environmental Responses
  • 国際学会
• [学会発表] Comparative physiological, metabolomic and transcriptomic analyses of rice seedlings grown under different levels of drought stress conditions (2016)
  • 著者名/発表者名: Todaka D, Zhao Y, Yoshida T, Kudo M, Kidokoro S, Mizoi J, Kodaira KS, Takebayashi Y, Kojima M, Sakakibara H, Fernie AR, Toyooka K, Sato M, Shinozaki K, Yamaguchi-Shinozaki K
  • 学会等名: the Cold Spring Harbor Asia conference on Latest Advances in Plant Development & Environmental Responses
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis of transcriptional regulation of Arabidopsis PIF4 in response to drought stress (2016)
  • 著者名/発表者名: Kidokoro S, Moon JS, Ariga Y, Todaka D, Mizoi J, Shinozaki K, Yamaguchi-Shinozaki K
  • 学会等名: the Cold Spring Harbor Asia conference on Latest Advances in Plant Development & Environmental Responses
  • 国際学会
• [学会発表] Molecular mechanism of plant growth regulation under high temperature (2016)
  • 著者名/発表者名: Koizumi S, Kidokoro S, Ohama N, Nakajima M, Asami T, Shinozaki K, Yamaguchi-Shinozaki K
  • 学会等名: the Cold Spring Harbor Asia conference on Latest Advances in Plant Development & Environmental Responses
  • 国際学会
• [学会発表] Improvement of growth of drought tolerant plants by gene stacking (2016)
  • 著者名/発表者名: Kudo M, Kidokoro S, Yoshida T, Mizoi J, Todaka D, Fernie AR, Shinozaki K, Yamaguchi-Shinozaki K
  • 学会等名: the Cold Spring Harbor Asia conference on Latest Advances in Plant Development & Environmental Responses
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis of novel candidate transcription factors that regulate the NCED3 gene expression under drought stress conditions (2016)
  • 著者名/発表者名: Sato H, Takasaki H, Takahashi F, Mitsuda N, Ohme-Takagi M, Yamaguchi-Shinozaki K, Shinozaki K
  • 学会等名: the Cold Spring Harbor Asia conference on Latest Advances in Plant Development & Environmental Responses
  • 国際学会
• [学会発表] Abscisic acid-mediated stomatal responses via small peptide in Arabidopsis (2016)
  • 著者名/発表者名: Takahashi F, Betsuyaku S, Fukuda H, Yamaguchi-Shinozaki K, Shinozaki K
  • 学会等名: the Cold Spring Harbor Asia conference on Latest Advances in Plant Development & Environmental Responses
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis of plant hormone profiles in response to moderate dehydration stress (2016)
  • 著者名/発表者名: Urano K, Maruyama K, Jikumaru Y, Kamiya Y, Yamaguchi-Shinozaki K, Shinozaki K
  • 学会等名: the Cold Spring Harbor Asia conference on Latest Advances in Plant Development & Environmental Responses
  • 国際学会
• [学会発表] Transcriptional regulatory networks controlling plant growth and stress tolerance under abiotic stress conditions (2016)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi-Shinozaki K
  • 学会等名: International Symposium on Environmental Stress Adaptation & Memory in Plants
  • 国際学会 / 招待講演