植物の可塑的な生長・分化を支える分子機構

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13CE2005
• 研究種目: COE形成基礎研究費
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 松岡 信 名古屋大学, 生物分子応答研究センター, 教授 (00270992)
• 研究分担者: 前島 正義 名古屋大学, 大学院・生命農学研究科, 教授 (80181577) ; 坂神 洋次 名古屋大学, 大学院・生命農学研究科, 教授 (80107408) ; 上口 智治 名古屋大学, 生物分子応答研究センター, 助教授 (20232738) ; 近藤 孝男 名古屋大学, 大学院・理学研究科, 教授 (10124223) ; 魚住 信之 名古屋大学, 生物分子応答研究センター, 助教授 (40223515)
• キーワード: 植物分子育種 / 植物生長物質 / 物質輸送機構 / 外環境応答 / 栄養環境応答

研究概要

1、植物生長物質の情報伝達機構の解明とその利用
(1)ジベレリンシグナル伝達系において、正の制御をしている因子としてGID1遺伝子を負の制御因子としてSLR1を単離し、それらのタンパク質化学的な性質を明らかにした。さらに、これらのタンパク質は直接相互作用をすることにより、ジベレリンシグナルを伝達していることが分かった。
(2)シロイヌナズナのゲノムから互いに高い相同性を示す3種の新規ヒスチジンキナーゼ遺伝子(AHK2,3,4)を同定し、一次構造ならびに発現解析を行った。AHK4のノックアウト変異体の遺伝学的解析ならびに出芽酵母の系での解析から、AHK4がサイトカイニン応答の正の制御因子であり、サイトカイニンの受容体として機能していることを見出した。
(3)植物分野の数十年来の懸案であった植物ホルモンであるサイトカイニンに応答した情報伝達機構に二成分制御系が深く関わっていることを明らかにした。具体的には、サイトカイニンシグナルのセンサーがヒスチジンキナーゼであることを示唆するとともに、サイトカイニンを直接検知する受容体であることを証明した。この過程で、サイトカイニン応答能を大腸菌を用いて再現するという画期的な手法を確立した。
(4)ペプチド性植物増殖因子ファイトスルフォカインの前駆体をコードする遺伝子をクローニングした。さらにファイトスルフォカインのレセプターをニンジン培養細胞より精製し、その部分アミノ酸配列を明らかにすることができた。メンバーの一員である水野教授と協同して、ヒスチジンキナーゼ型オーファンレセプターに対するリガンドの探索を行い、リガンドを豊富に含むと考えられる植物を特定し、リガンドの精製方法について検討している。
2.植物における物質輸送メカニズムの解明とその利用
(1)ダイコンを材料に細胞膜、液胞膜水チャネル6種を分析し、遺伝子発現、タンパク質蓄積のレベルは若い細胞と維管束周辺細胞で高いことを明らかにし、恒常的に発現している分子種と細胞成熟、浸透圧ストレス、ホルモン応答にともない増減する分子種(細胞膜PAQ2型)のあることを見出し、さらに個別細胞の水透過率測定法を確立し、データを得た。最も重要な無機イオンの一つCa^<2+>の細胞内動態を規定するCa^<2+>/H^+交換輸送体として、イネから3種のクローンを得、酵素機能を検定した。
(2)植物のNa^+感受性に関与していると考えられるArabidopsisのNa^+/K^+トランスポーターAtHKT1の膜貫通構造トポロジーを大腸菌、動物培養細胞およびイヌの膵臓由来の膜小胞を用いて決定した。この結果、AtHKTlはK^+チャネルの基本構造であるmembrane-pore-embraneが4回重複した8回膜貫通構造を有すること証明した。植物のK^+チャネルとトランスポーターの構造的類似性を見出した。
3.外環境応答メカニズムの解明とその利用
(1)シロイヌナズナやイネの解析から光周的花芽誘導に関わると予想される複数の遺伝子について、そのホモログ断片を長日及び短日ウキクサから多数クローニングした。さらにそれらの遺伝子の中に、花芽形成と発現に相関の見られるものを確認した。
(2)シアノバクテリアでの概日時計機構の解明Kai蛋白質の細胞内での局在性・複合体形成パターン明らかにし、これらが概日リズムの発現に極めて重要な要因であることを強く示唆する結果を得た。また、リズム発振に必須の自己抑制ループの主要因子と考えられるKaicが、kaiBCのみならず殆どすべての遺伝子の発現にも抑制的に働くことを明らかにし、Kaicの作用機構・概日時計によるゲノムワイドな時間制御機構に関する重要な手がかりを得た。
4.栄養環境応答メカニズムの解明とその利用
植物による窒素源の吸収、蓄積、同化の制御機構を逆遺伝学を駆使して解析するため、シロイヌナズナの葉内硝酸イオンの簡便測定法を開発するとともに、ヒメツリガネゴケでの関連遺伝子の発現制御解析系の構築を進めた。亜硝酸還元酵素(NiR)の全長cDNAおよび遺伝子、硝酸還元酵素(NR)と硝酸イオン輸送体(NRT)のcDNA断片をクローン化して、これらの遺伝子の窒素による発現調節を調べた結果、硝酸イオンとアンモニアに対してヒメツリガネコゲが高等植物と本質的に同じ応答を示すことがわかった。

研究成果

• [文献書誌] Sakamoto, T.: "KNOX homeodomain protein directly suppresses the expression of a gibberellin biosynthetic gene in the tobacco shoot apical meristem"Genes and Development. 15. 581-590 (2001)
• [文献書誌] Sakamoto, T.: "Expression of a gibberellin 2-oxidase gene around the shoot apex is related to phase transition in rice"Plant Physiol.. 125. 1508-1516 (2001)
• [文献書誌] Ikeda, A.: "slender rice, a constitutive gibberellin response mutant, is caused by a null mutation of the SLRJ Gene, an ortholog of the height-regulating gene GAI/RGA/RHT/D8"Plant Cell. 13. 999-1010 (2001)
• [文献書誌] Nagasaki, H.: "Functional analysis of the conserved domains of a rice KNOX homeodomain protein, OSH15"Plant Cell. 13. 2085-2098 (2001)
• [文献書誌] Itoh, H.: "Two differently expressed gibberellin 3β-hydoroxylasegenes are involved in the regulation of vegetative and reproductive growth of rice"Proc. Nat 1. Acad. Sci. USA. 98. 8909-8914 (2001)
• [文献書誌] Yang, H.: "Diversity of arabidopsis genes encoding precursors for phytosulfokine, a peptide growth factor"Plant Physiol.. 127. 842-851 (2001)
• [文献書誌] Matsubayashi, Y.: "Peptide signals and their receptors in higher plants"Trends in Plant Science. 6. 573-577 (2001)
• [文献書誌] Ueguchi C.: "The AHK4 gene involved in the cytokinin-signaling pathway as a direct receptor molecule in Arabidopsis thaliana"Plant Cell Physiol.. 42. 751-755 (2001)
• [文献書誌] Suzuki, S.: "The Arabidopsis sensor His-kinase, AHK4, can respond to cytokinins"Plant Cell Physiol.. 42. 107-113 (2001)
• [文献書誌] Yamada, H.: "The Arabidopsis AHK4 histidine kinase is a cytokinin-binding receptor that transduces cytokinin signals across the membrane"Plant Cell Physiol.. 42. 1017-1023 (2001)
• [文献書誌] Nakanishi, Y.: "Mutagenic analysis of functional residues in putative substrate binding site and acidic regions of vacuolar H^+-pyrophosphatase"J. Biol. Chem.. 276. 7654-7660 (2001)
• [文献書誌] Suga, S.: "Specificity of the accumulation of mRNAs and proteins of the plasma membrane and tonoplast aquaporins in radish organs"Planta. 212. 294-304 (2001)
• [文献書誌] Maeshinia, M.: "Tonoplast transporters: organization and function"Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol.Biol.. 52. 469-497 (2001)
• [文献書誌] Kato, Y.: "Evidence in support of a four transmembrane-pore-transuiembrane topology model for the Arabidopsis thaliana Na^+/K^+ translocating AtHKT1 protein, a member of the superfamily of K^+ transporters"Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 98. 6488-6493 (2001)
• [文献書誌] 小山時隆: "概日時計と光信号伝達"植物細胞工学シリーズ16、『植物の光センシング』植物工学別紙、植物細胞工学(秀潤社). 2001年10月刊行. (2001)
• [文献書誌] Tsuchida, H.: "High level expression of C4-specific NADP-malic enzyme in leaves and impairment of photoautotrophic growth in a C3 plant, rice"Plant Cell Physiol.. 42. 138-145 (2001)
• [文献書誌] Sakamoto, T.: "Function of KNOX homeodomain proteins in pant development"Plant Biotech.. 18. 85-92 (2001)
• [文献書誌] Fukayama, H.: "Significant accumulation of C4-specific pyruvate, orthophosphate dikinase in a C3 plant, rice"Plant Physiol.. 127. 1136-1146 (2001)
• [文献書誌] Sharma, A.: "Antisense inhibition of a BRI1 receptor reveals additional protein kinase signaling componenets downstream to the perception of brassinosteroids in rice"FEBS Letters. 507. 346-350 (2001)
• [文献書誌] Matsuoka, M.: "Molecular engineering of C4 photosynthesis"Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol.Biol.. 52. 297-314 (2001)
• [文献書誌] Sato, Y.: "Integration of Shaker-type K^+ channel, KAT1 into the endoplasmic reticulum membrane: Synergistic insertion of voltage sensing segments, S3-S4 and independent insertion of pore-forming segments, S5-P-S6"Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 99. 60-65 (2002)
• [文献書誌] Itoh, H.: "The gibberellin signaling pathway is regulated by appearance and disappearance of SLENDER RICEl in nuclei"Plant Cell. 14. 57-70 (2002)
• [文献書誌] Sato, Y.: "Isolation and characterization of a cDNA encoding an orthologue of ROUGH SHEATH2 (OsRS2) from rice"Plant Biotech. 19. 11-18 (2002)
• [文献書誌] Sato, Y.: "A loss-of-function mutation in the rice KNOX type homeobox gene, OSH3"Plant Cell Physiol. 43. 44-51 (2002)
• [文献書誌] Ito, M.: "Position dependent expression of GL2-type hoineobox gene, Roc1: significance for protoderm differentiation and radial pattern formation in early rice embryogenesis"Plant J.. 29. 497-507 (2002)
• [文献書誌] Ito, M.: "Mapping of ABERRANT REGIONALIZATION OF EMBRYO 1 gene, ARE1, by CAPS analysis"Rice Genet. Newslet.. (in press). (2002)
• [文献書誌] Kamiya, N.: "Mapping of ORGANLESS1 gene, ORL1"Rice Genet. Newslet.. (in press). (2002)
• [文献書誌] Nishimura, A.: "Mapping of MORI1 gene"Rice Genet. Newslet.. (in press). (2002)
• [文献書誌] Sato, y.: "Family of auxin response factor in rice"Genes Genet. Syst.. (in press). (2002)
• [文献書誌] Kaneko, M.: "The α-amylase induction in endosperm during rice seed germination is caused by gibberellin synthesized in epithelium"Plant Physiol.. (in press). (2002)
• [文献書誌] Nishimura, A.: "OsPNH1 regulates leaf development and maintenance of the shoot apical meristem in rice"Plant J.. (in press). (2002)