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2018 年度 実績報告書

植物体のしなやかさを生み出す非セルロース性細胞壁成分の構造力学的・化学的特性

計画研究

研究領域植物の力学的最適化戦略に基づくサステナブル構造システムの基盤創成
研究課題/領域番号 18H05495
研究機関埼玉大学

研究代表者

小竹 敬久  埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (20334146)

研究分担者 石水 毅  立命館大学, 生命科学部, 准教授 (30314355)
研究期間 (年度) 2018-06-29 – 2023-03-31
キーワードアラビノガラクタン-プロテイン / ペクチン / 細胞壁 / 細胞成長 / 重力応答
研究実績の概要

本研究では、優れた力学特性が植物体に付与される仕組みを明らかにするために、植物細胞壁の非セルロース性成分による細胞形態制御や細胞間接着、細胞壁構築の分子機構を解明することを目的としている。アラビノガラクタン-プロテイン(AGP)は植物特有の細胞外糖タンパク質であり、細胞壁最内層(原形質膜表面)に存在する。2018年度は、微生物から単離された強力なAG糖鎖分解酵素遺伝子を利用したAGP機能攪乱植物の作出を行った。デキサメタゾン処理によりAG糖鎖の主鎖の破壊が起きる植物はすでに作出しており、加えて、AG糖鎖の側鎖や末端グルクロン酸残基が分解される植物を作出した。AG糖鎖構造と組織・細胞形態、植物体の物性の関係を整理し、次年度以降に機能に重要な糖鎖構造を解析する予定である。
AG糖鎖の働きに関与する新規因子の発見を目指して、上記のAG糖鎖主鎖破壊植物から変異体プールを作成したが、導入遺伝子の発現量が安定せず、良好なプールが得られなかった。そこで別のプールを作成し、AG糖鎖特異的な阻害剤であるヤリブ試薬を利用した変異体選抜を開始した。
ペクチンには、HGとRG-I 、RG-IIの3領域が存在するが、組織形態の決定や細胞形態の制御におけるこれら3領域の分子機能の違いがわかっていない。そこで2018年度は、HGとRG-IIの合成が異常なシロイヌナズナ変異体を取り寄せ、ホモライン化を行い、基本的な植物体の形質として胚軸と根の成長を調べた。HGの変異体のうち、主要なHG合成酵素を欠損した変異体は生育が極めて悪いことがわかった。RG-Iの主鎖合成に関わるRRTは4つあり、多重変異体作出の準備段階として、掛け合わせとゲノム編集を行った。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

2018年度は、研究項目「優れた力学特性を生む細胞伸展性・形態形成の自律的制御機構の解明」で予定していた、AG糖鎖機能攪乱シロイヌナズナからの変異体プールの作成と変異体選抜を、ヤリブ試薬を利用した選抜にするなどの変更を行ったが、AG糖鎖の機能に関わる変異体を単離・同定する目標には順調に向かっている。研究項目「力学的最適解を生む細胞接着の形成・キャンセル制御機構の解明」については、一部のペクチン変異体の取得が遅れているものの、大半のペクチン変異体を取得できており、次年度以降は当初の計画通りに進めることができると考えている。研究項目「重力に抗する植物の動的な体作りの仕組みの解明」は、当初の計画通りの実験ができていないが、実験試料の調製は進んでおり、次年度以降に実施予定である。

今後の研究の推進方策

AGPは細胞壁の微量成分であるにも関わらず、成長や分化など植物の様々な生理現象に関与する。阻害剤であるヤリブ試薬を用いた研究からは、組織形態や細胞形態の制御に関わることが示唆されている。微生物の分解酵素の発現により複雑なAG糖鎖が段階的に失われるシロイヌナズナを用いて、組織形態の制御や茎の物性に重要な糖鎖構造を特定する。AGPによる組織形態や細胞形態の制御を解明するために、AG糖鎖に特異的に結合するヤリブ試薬に高感受性または耐性のシロイヌナズナ変異体を選抜し、原因遺伝子から、AGPの分子機能に関わる因子を発見、同定する。
ペクチンには、HG、RG-I、RG-IIの3領域があるが、細胞接着における個々の領域の役割の違いが分かっていない。また最近、HGの脱メチルエステル化が等方成長から異方成長への転換に関わることが提案されている。本研究では、これまで得られていなかった RG-Iの合成異常変異体を作出し、各種のペクチン変異体で、植物体の物性と細胞の形態、カルシウム・ホウ素の架橋度を調べ、これらの関係を整理する。また、これらをパラメーターとして利用して、力学的に優れた構造が形成されるメカニズムをモデリングを利用して考察する。
太古の昔に水中から陸上に進出した植物には、1 gの重力に抗するための細胞構造や組織形態があると考えられる。加えて、これらの構造の形成、維持に必要な優れた部材としての細胞壁分子が存在すると期待される。そこで、細胞壁や細胞骨格に異常を持つ様々なシロイヌナズナ変異体を遠心過重力環境で育成し、重力に抗する力学構造に重要な細胞・組織構造や優れた部材としての細胞壁分子を探索、同定する。

  • 研究成果

    (22件)

すべて 2019 2018

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 4件)

  • [雑誌論文] 植物細胞壁多糖の生合成 新規ペクチン生合成号転移酵素の発見と今後の展望2019

    • 著者名/発表者名
      竹中悠人、梶浦裕之、石水毅
    • 雑誌名

      化学と生物

      巻: 57 ページ: 88-94

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Yariv reactivity of type II arabinogalactan from larch wood2018

    • 著者名/発表者名
      Sato Kazuki、Hara Katsuya、Yoshimi Yoshihisa、Kitazawa Kiminari、Ito Haruka、Tsumuraya Yoichi、Kotake Toshihisa
    • 雑誌名

      Carbohydrate Research

      巻: 467 ページ: 8~13

    • DOI

      10.1016/j.carres.2018.07.004

    • 査読あり
  • [雑誌論文] The Patterned Structure of Galactoglucomannan Suggests It May Bind to Cellulose in Seed Mucilage2018

    • 著者名/発表者名
      Yu Li、Lyczakowski Jan J.、Pereira Caroline S.、Kotake Toshihisa、Yu Xiaolan、Li An、Mogelsvang Soren、Skaf Munir S.、Dupree Paul
    • 雑誌名

      Plant Physiology

      巻: 178 ページ: 1011~1026

    • DOI

      10.1104/pp.18.00709

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Degradative enzymes for type II arabinogalactan side chains in Bifidobacterium longum subsp. longum2018

    • 著者名/発表者名
      Fujita Kiyotaka、Sakamoto Ayami、Kaneko Satoshi、Kotake Toshihisa、Tsumuraya Yoichi、Kitahara Kanefumi
    • 雑誌名

      Applied Microbiology and Biotechnology

      巻: 103 ページ: 1299~1310

    • DOI

      10.1007/s00253-018-9566-4

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Molecular characterization of second tomato α1,3/4-fucosidase (α-Fuc’ase Sl-2), a member of glycosyl hydrolase family 29 active toward the core α1,3-fucosyl residue in plant N-glycans2018

    • 著者名/発表者名
      Rahman Md. Ziaur、Tsujimori Yuta、Maeda Megumi、Hossain Md. Anowar、Ishimizu Takeshi、Kimura Yoshinobu
    • 雑誌名

      The Journal of Biochemistry

      巻: 164 ページ: 53~63

    • DOI

      10.1093/jb/mvy029

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Pectin RG-I rhamnosyltransferases represent a novel plant-specific glycosyltransferase family2018

    • 著者名/発表者名
      Takenaka Yuto、Kato Kohei、Ogawa-Ohnishi Mari、Tsuruhama Kana、Kajiura Hiroyuki、Yagyu Kenta、Takeda Atsushi、Takeda Yoichi、Kunieda Tadashi、Hara-Nishimura Ikuko、Kuroha Takeshi、Nishitani Kazuhiko、Matsubayashi Yoshikatsu、Ishimizu Takeshi
    • 雑誌名

      Nature Plants

      巻: 4 ページ: 669~676

    • DOI

      10.1038/s41477-018-0217-7

    • 査読あり
  • [学会発表] カラマツのアラビノガラクタンのヤリブ試薬反応性2018

    • 著者名/発表者名
      小竹敬久、原克弥、佐藤一樹、吉見圭永、北澤仁成、円谷陽一
    • 学会等名
      日本植物学会
  • [学会発表] シロイヌナズナAGP4単一分子種の糖鎖構造2018

    • 著者名/発表者名
      原克弥、澤田鉄兵、吉見圭永、円谷陽一、小竹敬久
    • 学会等名
      日本植物学会
  • [学会発表] AGPによる細胞成長制御に関与する未知因子の探索2018

    • 著者名/発表者名
      菊池馨、澤進一郎、円谷陽一、小竹敬久
    • 学会等名
      日本植物学会
  • [学会発表] Disorganization of tissues caused by type II AG degradation2018

    • 著者名/発表者名
      Kotake T.
    • 学会等名
      VIII. Cell Wall Research Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Pectin RG-I rhamnosyltransferases represent a novel plant-specific glycosyltransferase family, GT1062018

    • 著者名/発表者名
      Takenaka Y., Kato K., Ogawa-Ohnishi M., Tsuruhama K., Kajiura H., Yagyu K., Takeda A., Takeda Y., Kunieda T., Hara-Nishimura, I., Kuroha T., Nishitani K., Matsubayashi Y., and Ishimizu T.
    • 学会等名
      VIII. Cell Wall Research Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] Preparation of UDP-apiose, a donor substrate of a glycosyltransferase involved in pectin biosynthesis2018

    • 著者名/発表者名
      Fujimori T., Matsuda R., Suzuki M., Takenaka T., Kajiura H., Takeda Y., and Ishimizu T
    • 学会等名
      VIII. Cell Wall Research Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] RRT1, a pectin RG-I: rhamnosyltransferase, plays a role for seed mucilage production.2018

    • 著者名/発表者名
      Takenaka Y., Kato K., Ogawa-Ohnishi M., Tsuruhama K., Kajiura H., Yagyu K., Takeda A., Takeda Y., Kunieda T., Hara-Nishimura, I., Kuroha T., Nishitani K., Matsubayashi Y., and Ishimizu T.
    • 学会等名
      VIII. Cell Wall Research Conference
    • 国際学会
  • [学会発表] 新規糖転移酵素ファミリーGT106を構成するペクチン生合成酵素の機能解析2018

    • 著者名/発表者名
      竹中悠人、加藤耕平、小川(大西)真里、鶴浜加奈、梶浦裕之、柳生健太、竹田篤史、武田陽一、國枝正、西村いくこ、黒羽剛、西谷和彦、松林嘉克、石水毅
    • 学会等名
      第19回関西グライコサイエンスフォーラム
  • [学会発表] 新規糖転移酵素ファミリーに属する植物細胞壁ペクチンラムノース転移酵素の同定と機能解析2018

    • 著者名/発表者名
      竹中悠人、加藤耕平、小川(大西)真里、鶴浜加奈、梶浦裕之、柳生健太、竹田篤史、武田陽一、國枝正、西村いくこ、黒羽剛、西谷和彦、松林嘉克、石水毅
    • 学会等名
      第37回日本糖質学会年会
  • [学会発表] 植物細胞壁ペクチンRG-IIの生合成に必要なUDP-アピオース単離法の開発2018

    • 著者名/発表者名
      藤森多恵、松田諒子、鈴木真未、竹中悠人、梶浦裕之、武田陽一、石水毅
    • 学会等名
      第37回日本糖質学会年会
  • [学会発表] 糸状菌Aspergillus aculeatus由来ラムノガラクツロナーゼの酵素特性解析2018

    • 著者名/発表者名
      大橋貴生、光吉祐太朗、間平由梨佳、三﨑亮、石水毅、藤山和仁
    • 学会等名
      第37回日本糖質学会年会
  • [学会発表] アスパラガスcis-ヒノキレジノール合成酵素βサブユニットのX線結晶構造解析2018

    • 著者名/発表者名
      東篤志、鈴木史朗、坂直樹、山村正臣、石水毅、三上文三、梅澤俊明
    • 学会等名
      第36回植物細胞分子生物学会
  • [学会発表] 植物細胞壁ペクチンラムノガラクツロナンIの生合成に関わるラムノース転移酵素2018

    • 著者名/発表者名
      竹中悠人、Bussarin Wachananawat、加藤耕平、梶浦裕之、石水毅
    • 学会等名
      第67回日本応用糖質科学会大会
  • [学会発表] 新規GT106ファミリーに属するペクチンRG-I:ラムノース転移酵素の研究2018

    • 著者名/発表者名
      竹中悠人、Bussarin Wachananawat、梶浦裕之、石水毅
    • 学会等名
      第91回日本生化学会大会
  • [学会発表] 植物細胞壁ペクチンRG-IIの生合成に必要なUDP-アピオース単離法の開発2018

    • 著者名/発表者名
      藤森多恵、松田諒子、鈴木真未、豊田智優、竹中悠人、梶浦裕之、武田陽一、石水毅
    • 学会等名
      日本応用糖質科学会第44回近畿支部会
  • [学会発表] ペクチンラムノガラクツロナンIIの生合成に関与するアピオース転移酵素の活性検出2018

    • 著者名/発表者名
      豊田智優、藤森多恵、梶浦裕之、竹中悠人、三輪京子、石水毅
    • 学会等名
      日本農芸化学会大会2019年度大会

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公開日: 2019-12-27  

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