様々なタイプのオートファジーによる植物の高次機能発現

2022 年度 実績報告書

• 研究領域: マルチモードオートファジー：多彩な経路と選択性が織り成す自己分解系の理解
• 研究課題/領域番号: 19H05713
• 研究機関: 明治大学
• 研究代表者: 吉本 光希 明治大学, 農学部, 専任教授 (40399316)
• 研究分担者: 海老根 一生 基礎生物学研究所, 細胞動態研究部門, 助教 (90590399)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2024-03-31
• キーワード: オートファジー / リン酸欠乏 / 小胞体

研究実績の概要

本研究は、独立栄養生物であるが故に存在する様々なタイプのオートファジー機構の解明、およびそれらによる植物の高次機能発現の解明を目的とし、その成果をもとに、植物オートファジーの環境応答機能としての重要性を理解して他の生物と比較しながら植物の巧みな生存戦略の一端を紐解くことを目指している。今年度は以下の課題を推進した。
①栄養欠乏下における植物マクロオートファジーの役割
前年度までに、リン酸欠乏かつ窒素過剰条件下でオートファジーが葉において誘導されることを明らかにしてきた（Yoshitake et al.,Plant Physiol., 2021）。今年度は、リン酸欠乏の早期段階においてオートファジーが自己成分を分解することでリン酸をリサイクルしていることを発見した。さらに、この際のオートファジーが何を分解しているのか、どのようにして誘導されるのか解析し、早期リン酸欠乏時に、オートファジーによる特異的な小胞体の分解（ERファジー）が誘導されること、このERファジーは細胞内に流入した鉄を介した過酸化脂質蓄積による小胞体ストレスによって引き起こされることを明らかにした。
さらに、早期リン酸欠乏時に引き起こされるERファジーは、これまで知られていた後期リン酸欠乏応答機構を抑制することも明らかにした。本研究により、今回発見した早期リン酸欠乏応答機構と従来知られていた後期リン酸欠乏応答機構を使い分けることで、植物は時空間的に不均一なリン酸濃度環境に適応しているという新たな環境適応機構を提唱した。
②ストレス下におけるマクロ・ミクロオートファジーの膜動態とその連携
これまでにアンモニアストレス下においてミクロオートファジーが活性化することを発見した。今年度はミクロオートファジーを誘導する新たな化合物“X”を見出した。

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

昨年度は、必須微量栄養素の中でも亜鉛に着目し、その欠乏下および過剰下における植物マクロオートファジーの役割について、明らかにし、原著論文2報の結論から新たなモデルを提唱し総説論文1報を発表した。
今年度はそれらに加えて、早期リン酸欠乏下におけるマクロオートファジーの新たな役割も明らかにし原著論文1報を発表した。
また、ミクロオートファジーを誘導する新たな化合物“X”を見出した。本発見は，未だ不明の植物ミクロオートファジーの分子機構解明に向けた新規研究ツールになり得る。
これらの結果から、本研究課題はおおむね順調に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

ミクロオートファジーを誘導する新たな化合物“X”を見出したことに加え、マクロオートファジー関連ATGタンパク質の一つがミクロオートファジーにも関与することを見出している。現段階ではそのタンパク質ののミクロオートファジーにおける役割の詳細な分子メカニズムは不明である。今後はそのタンパク質の細胞内局在や、相互作用因子を共免疫沈降実験により単離・同定することで、植物ミクロオートファジーの分子機構に迫る。

研究成果

• [雑誌論文] Intracellular phosphate recycling systems for survival during phosphate starvation in plants (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshitake, Y. and Yoshimoto, K.
  • 雑誌名: Front. Plant Sci. 巻: 13 ページ: e108821
  • DOI: 10.3389/fpls.2022.1088211
  • 査読あり
• [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., Kato, A., Shimoda, K., Ueda, H., Uemura, M., Numata, K., Ohsumi, Y., Hara-Nishimura, I., Mano, S., Yamada, K., Nishimura, M.
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 13 ページ: e7493
  • DOI: 10.1038/s41467-022-35138-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Autophagy triggered by iron mediated ER stress is an important stress response to the early phase of Pi starvation in plants. (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshitake, Y., Shinozaki, D., and Yoshimoto, K.
  • 雑誌名: Plant J. 巻: 110 ページ: 1370-1381
  • DOI: 10.1111/tpj.15743
  • 査読あり
• [雑誌論文] The role of reticulophagy under early phase phosphate starvation in plant cells. (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshitake, Y., and Yoshimoto, K.
  • 雑誌名: Autophagy Rep. 巻: 1 ページ: 256-259
  • DOI: 10.1080/27694127.2022.2089511
• [学会発表] 植物オートファジーにおける膜タンパク質ATG9の機能解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 只木亮哉、黒崎智史、井上和也、篠崎大樹、吉本光希
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 葉緑体局在DPD1エキソヌクレアーゼ欠損変異体ではクロロファジーが抑制される (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉竹悠宇志、吉本光希
  • 学会等名: 第64回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 細胞内自己成分分解系オートファジーが担う植物体内亜鉛ホメオスタシス (2022)
  • 著者名/発表者名: 篠崎大樹、吉本光希
  • 学会等名: 第33回日本微量元素学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] Wide-range zinc homeostasis management via autophagy in plants (2022)
  • 著者名/発表者名: Shinozaki D., and Yoshimoto K.
  • 学会等名: The 10th International Symposium on Autophagy
  • 国際学会
• [学会発表] Exploring factors involved in plant-specific microautophagy driven by vacuolar membrane dynamics (2022)
  • 著者名/発表者名: Yagyu M., and Yoshimoto K.
  • 学会等名: The 10th International Symposium on Autophagy
  • 国際学会
• [学会発表] Excess supply of nitrate induces chlorophagy under phosphate starvation in plants (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshitake Y., and Yoshimoto K.
  • 学会等名: The 10th International Symposium on Autophagy
  • 国際学会
• [学会発表] Autophagy is important for adaptation to calcium deficiency in plants (2022)
  • 著者名/発表者名: Davoudi Pahnekolayi M., Shinozaki D., Yoshimoto K.
  • 学会等名: The 10th International Symposium on Autophagy
  • 国際学会