研究課題
窒素栄養は、植物の生育や生産性を支配する多量必須栄養である。水田栽培の主要穀物イネは、主にアンモニウム態窒素栄養を吸収・利用する。しかし、高濃度アンモニウム供給は、多くの陸上植物に有害である。植物は、根細胞内アンモニウム過負荷回避のため、アンモニウム供給濃度上昇に応答して根の高親和性アンモニウム吸収系(HATS)を転写・タンパク質レベルで負に制御するが、この詳細な分子機構は不明である。今年度の研究から、充足濃度のアンモニウムを与えたイネ幼植物の根では、セリン・スレオニン・チロシン タンパク質リン酸化酵素ACTPK1が高蓄積し、ACTPK1がHATSを構成するアンモニウム輸送体1;2 (AMT1;2)のC末端側の保存スレオニン残基をリン酸化して、AMT1;2を不活性化することを明らかにした。充足濃度アンモニウム供給下イネ根では、ACTPK1の転写・翻訳産物がアンモニウム濃度依存的に蓄積した。ACTPK1欠損変異体イネ幼植物では、充足濃度アンモニウム供給下で、HATS活性の下方調節が障害を受けてアンモニウム吸収が増加するとともに、アンモニウム同化と窒素利用が促進されて地上部の生育が増加したが、自己プロモーター制御のACTPK1-GFP遺伝子を導入すると、これらの表現型が機能相補された。また、アンモニウム吸収系欠損酵母での異種発現系を用いて、C末端保存スレオニン残基をリン酸化模倣変異させたイネAMT1群の不活性化を確認した。試験管内で、組換えACTPK1はAMT1;1とAMT1;2のC末端保存スレオニン残基をリン酸化でき、植物細胞内でACTPK1とAMT1;2が原形質膜で直接相互作用することや、充足濃度アンモニウム供給下のACTPK1欠損変異体イネ幼植物根でのリン酸化AMT1の著減を確認した。
2: おおむね順調に進展している
今年度の研究では、充足濃度のアンモニウムを与えたイネ幼植物の根では、セリン・スレオニン・チロシン タンパク質リン酸化酵素ACTPK1が高蓄積し、ACTPK1が高親和性アンモニウム吸収系(HATS)を構成するアンモニウム輸送体1;2 (AMT1;2)のC末端側の保存スレオニン残基をリン酸化して、AMT1;2を不活性化することを明らかにでき、イネの根における高親和性アンモニウム輸送体の翻訳後制御の分子機構の一端を初めて解明できた。この成果を、国際シンポジウムTaiwan-Japan Plant Biology 2017で発表し、高い評価を受けた。また、植物科学分野で上位にランクされる国際学術雑誌のThe Plant Journal誌(インパクトファクター 5.9)で公表できた。
今年度の研究では、ACTPK1による直接的リン酸化を介したAMT1;2のアンモニウム吸収活性阻害におけるリン酸化制御エフェクターの解析を遂行できなかった。次年度の研究において、野生型と細胞内低分子代謝産物結合ACTドメイン欠損型の大腸菌内発現組換えACTPK1による、AMT1;2のC末端保存スレオニン残基に対するリン酸化活性への、有機酸・窒素代謝産物添加の影響を解析し、リン酸化制御のエフェクター分子とドメインを同定する予定である。また、今年度の研究では、イネ根におけるACTPK1遺伝子の充足濃度アンモニウム供給応答発現機構の解析にも着手できなかった。次年度の研究において、ACTPK1遺伝子5'上流プロモーター領域部分欠失DNA断片融合レポーター遺伝子の低濃度から充足濃度のアンモニウム供給下のイネ培養細胞での一過的発現解析系で、充足濃度アンモニウム供給応答制御シス配列候補を探索する予定である。さらに、同系での候補シス配列の機能欠損・最小プロモーター機能付加解析でシス配列を同定する予定である。
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すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (3件) (うち国際学会 2件) 備考 (3件)
The Plant Journal
巻: 93 ページ: 992-1006
10.1111/tpj.13824
Microbes and Environments
巻: 32 ページ: 314-323
10.1264/jsme2.ME17031
http://www.agri.tohoku.ac.jp/cellbio/index-j.htm
https://www.agri.tohoku.ac.jp/jp/news/topics/detail/20180315_hayakawa.html
http://www.agri.tohoku.ac.jp/en/activity/research/17/index.html
