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2012 年度 実績報告書

陸上植物の水獲得に機能する根の水応答機構の解明

計画研究

研究領域植物の環境感覚:刺激受容から細胞応答まで
研究課題/領域番号 22120004
研究機関東北大学

研究代表者

高橋 秀幸  東北大学, 生命科学研究科, 教授 (70179513)

研究期間 (年度) 2010-04-01 – 2015-03-31
キーワード水分屈性 / MIZ1 / MIZ2 / オーキシン / 小胞体 / オートファジー / シロイヌナズナ / イネ
研究実績の概要

MIZ1タンパク質の特性を理解するために、miz1-1突然変異体でMIZ1-GFPを発現する形質転換体を作出して解析した。MIZ1-GFPのシグナルは、根の皮層細胞と側部根冠組織にみとめられ、且つ、可溶性タンパク質ならびに小胞体膜の原形質側表層に分画されたが、その発現領域および発現量は水分屈性の発現過程で変化しなかった。さらに、MIZ1過剰発現体を作出して解析した結果、MIZ1過剰発現体では水分屈性が顕著に亢進された。この水分屈性の亢進はmiz2変異によって完全に抑制されたことから、MIZ2がMIZ1の下流で機能することが示唆された。加えて、miz1-1の抑圧突然変異体を単離し、その特性解析と変異原因遺伝子の同定を進めた。また、シロイヌナズナの根では、水分屈性の発現時にコルメラ細胞中でアミロプラストの分解がみられることを明らかにしているが、これにオートファジーが関与する可能性、ならびにコルメラ細胞の液胞化、小胞体の極性変化を伴うことが示された。
これまで、自然界における水分屈性の貢献度はわかっていない。そこで昨年度にシロイヌナズナの側根が水分屈性を示すこと、主根と同様に側根の水分屈性にもMIZ1が必要なことを明らかにした上で、今年度は土壌中で水分勾配を形成させる実験系を構築し、野生型、miz1-1、MIZ1過剰発現体を用いて、水分屈性が根系形成、バイオマス・種子生産、生存に及ぼす影響を解析し、水分屈性が自然界で乾燥回避に機能することを証明した。
これまでに示唆された水分屈性制御機構の植物種による違いを理解するために、単子葉植物のイネの根の水分屈性能を解析した。その結果、イネ根の水分屈性にはオーキシンの生合成、輸送、作用が重要な制御要因として機能し、それは、これまでに明らかにしたシロイヌナズナやミヤコグサにおけるメカニズムと異なるものであることがわかった。

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

これまで根の水分屈性能を証明し、それを制御するユニークな分子を初めて発見し、その分子機構の解明に向けて大きな貢献をしてきたが、この水分屈性が自然界でどのように機能するかは明らかでなかった。しかし、本研究ではMIZ1過剰発現体の水分屈性が野生型の2倍ほどに亢進されること、根系の大部分を占める側根も水分屈性を示し、それにもMIZ1が必要なことを明らかにするとともに、自然界を模擬した土壌中で水分屈性能を解析する実験系を構築した。その結果、水分勾配下(全体的に水ストレス下にある条件)では水分屈性が根系の発達に大きく影響し、高水分側に水分屈性によって根が分布するようになり、植物体の乾燥下における生存率の向上をもたらすことがわかった。この能力は、水分屈性を欠損したmiz1突然変異体で小さく、逆にMIZ1過剰発現体で有意に大きかった。これは、水分屈性能を改善して水利用効率を高めるとともに、乾燥地における農業生産を拡大できる可能性を示す成果である。また、総括班との共同研究としてLC-MS/MSを用いて解析を行い、MIZ1と相互作用する候補因子として、複数分子を得ることができた。さらに、miz1突然変異体の表現型(水分屈性欠損)を抑制する突然変異体(miz1サプレッサー)が見出され、その変異原因遺伝子の同定が進んでいる。これらの現状は、MIZ1タンパク質の機能解明に向けて大きな前進であり、今後、MIZ1と相互作用して水分屈性を制御する分子およびmiz1サプレッサーを同定することがMIZ1機能の特定につながると期待される。

今後の研究の推進方策

これまでの研究で問題となった点、あるいは今後解決すべき課題もいくつかある。まず、MIZ1のプロモーター活性をpMIZ1:GUSおよびpMIZ1:GFPで解析すると、根冠細胞でのMIZ1 mRNAの蓄積が示唆される一方で、そのMIZ1タンパク質は根冠細胞のみならず、伸長領域の皮層細胞で強く発現することがわかった。また、MIZ2タンパク質は根のいずれの組織・細胞でも発現した。したがって、MIZ1およびMIZ2がどの細胞で機能して水分屈性を制御するのか、特定できていない。その解決策として、現在、MIZ1およびMIZ2、miz1およびmiz2のGAL4-enhancer trap系統を作成しており、それらの解析によって、それぞれが機能する細胞群が明らかになると考えられる。さらに、シロイヌナズナの根の水分屈性の発現にはオーキシン量の低下が必要であるが、PINタンパク質などのオーキシン輸送体を必要としない。ところが、イネ根の水分屈性の発現にはオーキシン輸送を必要とすることがわかった。このように、オーキシンの関わり方が重力屈性と異なる点や、それが植物種によって異なることがわかってきた。これらの事実を説明する論理が必要であり、これを解決するために、トランスクリプトームやプロテオーム、MIZ1およびMIZ2関連分子の解析、さらにはmiz1抑圧変異体原因遺伝子の解析で見出される制御候補因子とオーキシンの関係を解析する。

  • 研究成果

    (24件)

すべて 2013 2012

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (20件) (うち招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Molecular mechanisms of hydrotropism in seedling roots of Arabidopsis thaliana (Brassicaceae)2013

    • 著者名/発表者名
      Moriwaki, T., Y. Miyazawa, A. Kobayashi, H. Takahashi
    • 雑誌名

      Am. J. Bot.

      巻: 100 ページ: 25-34

    • DOI

      doi: 10.3732/ajb.1200419

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Overexpression of MIZU-KUSSEI1 enhances root hydrotropic response by retaining cell viability under hydrostimulated condition in Arabidopsis thaliana2012

    • 著者名/発表者名
      Miyazawa, Y., T. Moriwaki, M. Uchida, A. Kobayashi, N. Fujii, H. Takahashi
    • 雑誌名

      Plant Cell Physiol.

      巻: 53 ページ: 1926-1933

    • DOI

      doi:10.1093/pcp/pcs129

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A possible involvement of autophagy in amyloplast degradation in columella cells during hydrotropic response of Arabidopsis roots2012

    • 著者名/発表者名
      Nakayama, M., Y. Kaneko, Y. Miyazawa, N. Fujii, N. Higashitani, S. Wada, H. Ishida, K. Yoshimoto, K. Shirasu, K. Yamada, M. Nishimura, H. Takahashi
    • 雑誌名

      Planta

      巻: 236 ページ: 999-1012

    • DOI

      doi:10.1007/s00425-012-1655-5

    • 査読あり
  • [雑誌論文] MIZ1, an essential protein for root hydrotropism, is associated with the cytoplasmic face of the endoplasmic reticulum membrane in Arabidopsis root cells2012

    • 著者名/発表者名
      Yamazaki, T., Y. Miyazawa, A. Kobayashi, T. Moriwaki, N. Fujii, H. Takahashi
    • 雑誌名

      FEBS Letters

      巻: 586 ページ: 398-402

    • DOI

      doi: 10.1016/j.febslet.2012.01.008

    • 査読あり
  • [学会発表] シロイヌナズナmiz1の抑圧突然変異体mzp1の単離2013

    • 著者名/発表者名
      岩田悟、内田真弓、小林啓恵、宮沢豊、藤井伸治、高橋秀幸
    • 学会等名
      第54回日本植物生理学会年会
    • 発表場所
      岡山
    • 年月日
      2013-03-21 – 2013-03-23
  • [学会発表] Improvement of plant water-stress avoidance by overexpression of MIZU-KUSSEI1, a gene responsible for root hydrotropism2013

    • 著者名/発表者名
      Yutaka Miyazawa, Teppei Moriwaki, Mayumi Uchida, Akie Kobayashi, Nobuharu Fujii, Hideyuki Takahashi
    • 学会等名
      第54回日本植物生理学会年会
    • 発表場所
      岡山
    • 年月日
      2013-03-21 – 2013-03-23
  • [学会発表] MIZ1 and MIZ2 regulation of hydrotropism in Arabidopsis roots2013

    • 著者名/発表者名
      Takahashi H, Miyazawa Y, Kobayashi A, Moriwaki T, Fujii N
    • 学会等名
      Tropism studies at the front: sensors and signal transduction. Symposium at the 54th Annual Meeting for the Japanese Society of Plant Physiologists
    • 発表場所
      岡山
    • 年月日
      2013-03-20 – 2013-03-23
    • 招待講演
  • [学会発表] 突然変異によって高CO2環境に適応的な光合成能力をもつ植物の進化は起こるだろうか?2013

    • 著者名/発表者名
      永野聡一郎、河村花愛、千葉元子、尾崎洋史、小口理一、藤井伸治、彦坂幸毅、高橋秀幸
    • 学会等名
      日本生態学会第60回大会
    • 発表場所
      静岡
    • 年月日
      2013-03-05 – 2013-03-09
  • [学会発表] シロイヌナズナの生育・生存に対する水分屈性制御遺伝子MIZ1の重要性2012

    • 著者名/発表者名
      岩田 悟、宮沢 豊、藤井伸治、高橋秀幸
    • 学会等名
      東北植物学会第2回大会
    • 発表場所
      弘前
    • 年月日
      2012-12-15 – 2012-12-16
  • [学会発表] 根の回旋運動の実験系構築と重力応答依存性の検証2012

    • 著者名/発表者名
      金慧正、宮沢豊、藤井伸治、高橋秀幸
    • 学会等名
      東北植物学会第2回大会
    • 発表場所
      弘前
    • 年月日
      2012-12-15 – 2012-12-16
  • [学会発表] The relationship between graviresponse and circumnutation in seedling roots of pea2012

    • 著者名/発表者名
      Hyejeong Kim, Yutaka Miyazawa, Nobuharu Fujii, Hideyuki Takahashi
    • 学会等名
      International Forum for Ecosystem Adaptability Science IV
    • 発表場所
      仙台
    • 年月日
      2012-12-12 – 2012-12-13
  • [学会発表] Targeted expression approach of MIZ1 and MIZ2 genes that function of root hydrotropism in Arabidopsis thaliana2012

    • 著者名/発表者名
      Tae-Woong Bae, Yutaka Miyazawa, Akie Kobayashi, Nobuharu Fujii, Hideyuki Takahashi
    • 学会等名
      International Forum for Ecosystem Adaptability Science IV
    • 発表場所
      仙台
    • 年月日
      2012-12-12 – 2012-12-13
  • [学会発表] Space utilization for the study of plant responses to gravity2012

    • 著者名/発表者名
      Takahashi H
    • 学会等名
      19th Asia-Pacific Regional Space Agency Forum (APRSAF-19)
    • 発表場所
      クアラランプール、マレーシア
    • 年月日
      2012-12-10 – 2012-12-14
    • 招待講演
  • [学会発表] 微小重力下におけるキュウリ芽生えの成長とオーキシン輸送体:Hydro Tropi CsPINs宇宙実験2012

    • 著者名/発表者名
      高橋秀幸、藤井伸治、宮沢豊、渡邊千秋、岡本美貴、山崎丘、東端晃、石岡憲昭、鎌田源司、嶋津徹、伏島康男、渡邉郁子、笠原春夫
    • 学会等名
      日本宇宙生物科学会第26回大会
    • 発表場所
      徳島
    • 年月日
      2012-09-27 – 2012-09-29
    • 招待講演
  • [学会発表] シロイヌナズナの多重突然変異体を用いた重力感受・応答に機能する新規分子の探索2012

    • 著者名/発表者名
      藤井伸治、山川あゆみ、千葉元子、宮沢豊、山下雅道、高橋秀幸
    • 学会等名
      日本宇宙生物科学会第26回大会
    • 発表場所
      徳島
    • 年月日
      2012-09-27 – 2012-09-29
  • [学会発表] イネ根の水分屈性のオーキシンによる制御2012

    • 著者名/発表者名
      中島佑介、宮沢豊、藤井伸治、高橋秀幸
    • 学会等名
      日本宇宙生物科学会第26回大会
    • 発表場所
      徳島
    • 年月日
      2012-09-27 – 2012-09-29
  • [学会発表] CsPINs宇宙実験:重力刺激がキュウリ芽生えのCsPIN1局在に及ぼす影響2012

    • 著者名/発表者名
      山崎(渡邉)千秋、藤井伸治、宮沢豊、東端晃、嶋津徹、鎌田源司、笠原春夫、山崎丘、渡邉郁子、伏島康男、石岡憲昭、高橋秀幸
    • 学会等名
      日本宇宙生物科学会第26回大会
    • 発表場所
      徳島
    • 年月日
      2012-09-27 – 2012-09-29
  • [学会発表] シロイヌナズナの生産性・生存に対する水分屈性の寄与2012

    • 著者名/発表者名
      岩田 悟、宮沢 豊、高橋秀幸
    • 学会等名
      日本植物学会第76回大会
    • 発表場所
      姫路
    • 年月日
      2012-09-15 – 2012-09-17
  • [学会発表] キュウリ芽生えの内皮重力感受細胞で発現するCsPIN1タンパク質の蓄積の重力応答性2012

    • 著者名/発表者名
      渡邉千秋、藤井伸治、宮沢豊、東端晃、嶋津徹、鎌田源司、笠原春夫、山崎丘、渡邉郁子、伏島康男、石岡憲昭、高橋秀幸
    • 学会等名
      日本植物学会第76回大会
    • 発表場所
      姫路
    • 年月日
      2012-09-15 – 2012-09-17
  • [学会発表] ミヤコグサとエンドウを用いた水分屈性発現機構の比較解析2012

    • 著者名/発表者名
      奈良敬孝、宮沢豊、森脇哲平、山崎誠和、藤井伸治、高橋秀幸
    • 学会等名
      日本植物学会第76回大会
    • 発表場所
      姫路
    • 年月日
      2012-09-15 – 2012-09-17
  • [学会発表] エンドウの根の回旋運動における重力応答依存性の検証2012

    • 著者名/発表者名
      金慧正、宮沢豊、藤井伸治、高橋秀幸
    • 学会等名
      日本植物学会第76回大会
    • 発表場所
      姫路
    • 年月日
      2012-09-15 – 2012-09-17
  • [学会発表] イネにおける水分屈性の発現とオーキシン阻害剤処理による影響2012

    • 著者名/発表者名
      中島佑介、宮沢豊、藤井伸治、高橋秀幸
    • 学会等名
      日本植物学会第76回大会
    • 発表場所
      姫路
    • 年月日
      2012-09-15 – 2012-09-17
  • [学会発表] MIZ1-regulated hydrotropism plays an important role in plant growth of Arabidopsis thaliana under water-limited conditions2012

    • 著者名/発表者名
      Satoru Iwata, Yutaka Miyazawa, Nobuharu Fujii, Hideyuki Takahashi
    • 学会等名
      Plant Biology 2012
    • 発表場所
      オースティン、アメリカ合衆国
    • 年月日
      2012-07-20 – 2012-07-24
  • [学会発表] Strategy to isolate and characterize Arabidopsis mutants with optimal photosynthetic efficiency under elevated CO2 conditions2012

    • 著者名/発表者名
      Soichiro Nagano, Kana Kawamura, Motoko Chiba, Hiroshi Ozaki, Nobuharu Fujii, Kouki Hikosaka, Hideyuki Takahashi
    • 学会等名
      Plant Biology 2012
    • 発表場所
      オースティン、アメリカ合衆国
    • 年月日
      2012-07-20 – 2012-07-24

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公開日: 2018-02-02  

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