情報処理空間としての細胞壁高次構造の構築と動態制御

2013 年度 実績報告書

• 研究領域: 植物細胞壁の情報処理システム
• 研究課題/領域番号: 24114005
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 西谷 和彦 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (60164555)
• 研究分担者: 大林 武 東北大学, 情報科学研究科, 准教授 (50397048) ; 工藤 光子 立教大学, 理学部, 准教授 (90594078)
• 研究期間 (年度): 2012-06-28 – 2017-03-31
• キーワード: 細胞壁 / XTH / PME / 情報処理

研究実績の概要

植物細胞壁は典型的な動的複雑系で，その構築・再編や機能制御には膨大な数の酵素群と制御因子が関わる。本研究では，植物細胞壁の分子動態を，発生過程や刺激応答などの時間軸と、組織パターンや細胞極性などの空間軸に沿って解剖することにより，植物細胞壁が多元的な情報処理機能を発揮するメカニズムの解明を目指して研究を進め，以下の成果を得た。１．イネ細胞壁におけるXTH/キシログルカン系の役割を検証するためにイネの組換えXTHタンパク質を作成し，キシログルカンが主要な基質であることを実証した。XTHファミリーの各メンバーの新規な分子機能の解明を目指し，コケ，シロイヌナズナのXTHの組換え体をPichiea内で大量に発現させる系を確立した。２．PME35の分泌過程での活性化メカニズムの解明を目指して，RFPとGFPを，それぞれPro領域のN末，PME領域のC末に融合したタンパク質をエストラジオール誘導性プロモーター下で発現させる実験系を構築した。３．ネナシカズラの茎寄生過程を植物細胞壁の情報処理機能解析のモデル系として確立するために，アメリカネナシカズラ(Cuscuta pentagona)とネナシカズラ（C.japonica）の両種について，種子の採種，栽培，寄生反応時のオミクスを行う為の予備実験を終えた。４．シロイヌナズナの葉肉細胞プロトプラストからの細胞壁を高い頻度で再生する系を開発し，細胞壁再生に関わる遺伝子や外的因子の探索を進める方法を確立した。５．大きな遺伝子ファミリーからなる細胞壁関連遺伝子群を対象にして，高い精度で，遺伝子機能を推定するために，ゲノム情報をもとにする新たな方法で共発現データの改良を行った。また RNAseqデータに基づく遺伝子共発現データの導出を大規模に行うためのパイプラインを作成した。

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

今年度の研究により明らかにした以下の新知見は，細胞壁の機能構造の構築メカニズムを解明する上でいずれも重要な成果として位置づけられる。
（１）キシログルカンの役割が疑問視されているイネ細胞壁におけるXTH/キシログルカン系の役割を検証するためにイネの組換えXTHタンパク質を作成し，キシログルカンが主要な基質であることを実証した。
（２）茎寄生植物であるネナシカズラの実験室内での採種までを含めた実験系の確立。
（３）葉肉細胞プロトプラストからの細胞壁を高い頻度で再生する系の開発と，それを用いた細胞壁再生系のイメージング手法の確立。

今後の研究の推進方策

当初の計画は順調に進み，更にネナシカズラや細胞壁再生系について所期以上の成果が得られたので，当初計画に，これらの計画を加えて研究を推進する。

研究成果

• [雑誌論文] A Dof Transcription Factor, SCAP1, Is Essential for the Development of Functional Stomata in Arabidopsis. (2013)
  • 著者名/発表者名: Negi, J., Moriwaki,K., Konishi,M., Yokoyama,R., Nakano,T., Kusumi,K., Matsuda, O., Hashimoto-Sugimoto,M., Schroeder, J.I., Nishitani,K., Yanagisawa, S. and Iba, K.
  • 雑誌名: Current Biology 巻: 23 ページ: 479-484
  • DOI: 10.1016/j.cub.2013.02.001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spatiotemporal secretion of PEROXIDASE36 is required for seed coat mucilage extrusion in Arabidopsis thaliana (2013)
  • 著者名/発表者名: Kunieda, T., Shimada, T., Kondo, M., Nishimura, M., Nishitani, K., Hara-Nishimura, I.
  • 雑誌名: Plant Cell 巻: 25 ページ: 1355-1367
  • DOI: 10.1105/tpc.113.110072
  • 査読あり
• [雑誌論文] Varietal Differences in Cell Wall β-(1→3),(1→4)-Glucan and Nonstructural Carbohydrate in Rice Stems during the Grain Filling Stage . (2013)
  • 著者名/発表者名: Arai-Sanoh,Y., Ida,M., Zhao,R., Nishitani,K., Yoshinaga,S., Takai,T., Nakano,H., Iwasawa,N., Kondo, M.
  • 雑誌名: Plant Prod. Sci. 巻: 16 ページ: 335-341
  • DOI: 10.1626/pps.16.335
  • 査読あり
• [雑誌論文] Function of xyloglucan endotransglucosylase/hydrolases in rice. Function of xyloglucan endotransglucosylase/hydrolases in rice. (2013)
  • 著者名/発表者名: Hara,Y., Yokoyama, R., Osakabe, K., Toki, S., Nishitani, K.
  • 雑誌名: Ann. Bot 巻: 114 ページ: 1309-1318
  • DOI: 10.1093/aob/mct292
  • 査読あり
• [雑誌論文] ATTED-II in 2014: Evaluation of Gene Coexpression in Agriculturally Important Plants. (2013)
  • 著者名/発表者名: Obayashi T, Okamura Y, Ito S, Tadaka S, Aoki Y, Shirota M, Kinoshita K.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 巻: 55 ページ: e6
  • DOI: 10.1093/pcp/pct178
  • 査読あり
• [雑誌論文] bHLH transcription factors JA-ASSOCIATED MYC2-LIKE 1, JAM2 and JAM3 are negative regulators of jasmonate responses in Arabidopsis. (2013)
  • 著者名/発表者名: Sasaki-Sekimoto Y, Jikumaru Y, Obayashi T, Saito H, Masuda S, Kamiya Y, Ohta H, Shirasu K.
  • 雑誌名: Plant Physiol. 巻: 163 ページ: 291-304
  • DOI: 10.1104/pp.113.220129
  • 査読あり
• [学会発表] Processing and membrane trafficking of a cell-wall enzyme, AtPME35 (2014)
  • 著者名/発表者名: Asaoka R.,et al.
  • 学会等名: 第55回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 富山大学
  • 年月日: 2014-03-18 – 2014-03-20
• [学会発表] Analysis of cell wall regeneration process of Arabidopsis mesophyll protoplasts (2014)
  • 著者名/発表者名: Kohama D.,et al.
  • 学会等名: 第55回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 富山大学
  • 年月日: 2014-03-18 – 2014-03-20
• [学会発表] The matrix polysaccharide (1;3,1;4)-β-D-glucan is involved in silicon-dependent strengthening of rice cell wall (2014)
  • 著者名/発表者名: Kaneko M.,et al.
  • 学会等名: 第55回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 富山大学
  • 年月日: 2014-03-18 – 2014-03-20
• [学会発表] PME35の細胞内動態解析 － 活性化機構の解明を目指して (2013)
  • 著者名/発表者名: 浅岡凜 他
  • 学会等名: 東北植物学会第3回大会
  • 発表場所: 秋田カレッジプラザ
  • 年月日: 2013-12-14 – 2013-12-15
• [学会発表] 植物器官の伸長成長から支持組織形成への切り替えを担う分子機構の解明 (2013)
  • 著者名/発表者名: 鳴川秀樹 他
  • 学会等名: 東北植物学会第3回大会
  • 発表場所: 秋田カレッジプラザ
  • 年月日: 2013-12-14 – 2013-12-15
• [学会発表] プロトプラストからの細胞壁再生系を用いたレクチンの機能解明 (2013)
  • 著者名/発表者名: 九鬼寛明 他
  • 学会等名: 東北植物学会第3回大会
  • 発表場所: 秋田カレッジプラザ
  • 年月日: 2013-12-14 – 2013-12-15
• [学会発表] バイオマス利用のためのイネの細胞壁研究 (2013)
  • 著者名/発表者名: 横山隆亮 他
  • 学会等名: 第65回日本生物工学会大会
  • 発表場所: 広島国際会議場
  • 年月日: 2013-09-18 – 2013-09-20
  • 招待講演
• [学会発表] 植物における伸長成長から支持機能強化への切換えを統御する因子の探索 (2013)
  • 著者名/発表者名: 鳴川秀樹 他
  • 学会等名: 日本植物学会第77回大会
  • 発表場所: 北海道大学
  • 年月日: 2013-09-13 – 2013-09-15
• [学会発表] Versatile roles of PME and pectin in plant development. (2013)
  • 著者名/発表者名: Nishitani K.,et al.
  • 学会等名: 2013 XIII Cell Wall Meeting
  • 発表場所: Nantes, France
  • 年月日: 2013-07-07 – 2013-07-12
• [学会発表] Role of cell wall matrix polysaccharides in rice growth and development. (2013)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama R, et al.
  • 学会等名: 2013 XIII Cell Wall Meeting
  • 発表場所: Nantes, France
  • 年月日: 2013-07-07 – 2013-07-12
• [学会発表] Spatiotemporal secretion of PEROXIDASE36 responsible for seed coat mucilage extrusion in Arabidopsis thaliana. (2013)
  • 著者名/発表者名: Kunieda T., et al.
  • 学会等名: 2013 XIII Cell Wall Meeting
  • 発表場所: Nantes, France
  • 年月日: 2013-07-07 – 2013-07-12
• [図書] 植物細胞壁 (2013)
  • 著者名/発表者名: 西谷和彦・梅澤俊明 (編集)
  • 総ページ数: 349(1-349)
  • 出版者: 講談社
• [図書] 高校生物 (2013)
  • 著者名/発表者名: 工藤光子 他 (編集)
  • 総ページ数: 472(1-472)
  • 出版者: 啓林館
• [備考] 新学術領域研究「植物細胞壁の情報処理システム」
  • URL: http://www.plantcellwall.jp/
• [備考] 東北大学西谷研究室
  • URL: http://www.biology.tohoku.ac.jp/lab-www/nishitani_lab/