栄養欠乏応答性のアブラナ科植物種間比較解析

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K06723
• 研究機関: 奈良先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 峠 むつみ (渡邉むつみ) 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 博士研究員 (60837582)
• 研究分担者: 峠 隆之 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 准教授 (30415236)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 栄養欠乏応答 / アブラナ科植物 / 窒素 / リン / 硫黄 / メタボロミクス / 種間比較

研究実績の概要

アブラナ科植物に保存されているもしくは種特異的な栄養欠乏代謝応答の解明を目指し、アブラナ科モデル植物6種を用いた窒素、リン、硫黄経時的欠乏実験を実施し、バイオマスやクロロフィル含量測定などの表現型解析を行った。また、無機イオン類、一次代謝物や二次代謝物を分析し、それぞれの栄養欠乏条件下における代謝物変動のカタログ化を行った。その結果、6種共通で上昇もしくは減少する栄養欠応答マーカー代謝物を見出した。また、特定の特化代謝物の再利用効率が硫黄欠乏耐性に関連性があることを示唆する結果が得られた。アブラナ科植物種に保存される栄養欠乏応答マーカー遺伝子の特定は、現在までに報告されている文献データや公共マイクロアレイデ－タを参照し、各栄養欠乏応答それぞれ3遺伝子ずつを選抜した。これらの候補遺伝子について、アミノ酸配列を用いた相同性解析及びシンテニー解析を行い、配列的及び進化的に保存されているオルソログ候補遺伝子を選抜した。また、これらの遺伝子群のアブラナ科植物6種に共通した保存配列にプライマーを設計し、それぞれの栄養欠乏応答の保存性を実験的に検証した。遺伝子発現解析を行った結果、6種共通で栄養欠乏応答マーカー遺伝子として利用できる遺伝子を同定できた。アブラナ科モデル植物6種の実験結果をもとに、アブラナ科主要作物種約50品種について、土壌で生育させた葉のサンプルを用いて二次代謝物分析を行い、代謝物アノテーションと多様性解析を開始した。

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

令和元年度に予定していたアブラナ科モデル植物6種を用いた窒素、リン、硫黄経時的欠乏実験を行い、表現型解析、及び無機イオン類、一次代謝物や二次代謝物の分析を終了することができた。栄養欠乏応答マーカー遺伝子についても、系統樹解析及びシンテニー解析によりオルソログ遺伝子を選抜し、種共通配列のプライマーを設計した。遺伝子発現解析を行った結果、6種共通で栄養欠乏応答マーカーとして利用できる遺伝子を同定できた。さらに令和2年度から行う予定である作物種の研究について、主要作物 9品種を用いた予備実験（硫黄欠乏実験、代謝物分析、遺伝子発現解析）を開始した。アブラナ科作物種50品種についての二次代謝物の多様性解析も順調に進んでいる。

今後の研究の推進方策

栄養欠乏実験が完了したアブラナ科モデル植物6種について、チオール類やアミノ酸などのHPLCを利用した代謝物分析を実施する。生合成経路上での代謝変動解析に加え、表現型、代謝物、遺伝子発現の各解析で得られたすべての結果を統合して、それぞれの組み合わせにおける相関解析や代謝ネットワークを構築し、代謝物変動の生理学的解釈を行う。また、作物種を用いた栄養欠乏実験を実施し、代謝物分析、遺伝子発現解析、二次代謝物の多様性解析を令和2年度内に完了することを目指す。

次年度使用額が生じた理由

令和元年10月から令和2年3月末まで産休及び育休により研究を中断し、研究費の支出（特に代謝物分析用）が減少したため、次年度に繰り越した。令和2年度は令和元年度に採取したサンプルの代謝物分析を行う。

研究成果

• [国際共同研究] マックスプランク研究所(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: マックスプランク研究所
• [雑誌論文] Exploiting the natural variation in tomato to define pathway structure and metabolic regulation of fruit polyphenolics in the lycopersicum complex (2020)
  • 著者名/発表者名: Tohge Takayuki, Scossa Federico, Wendenburg Regina, Frasse Pierre, Balbo Ilse, Watanabe Mutsumi, Alseekh Saleh, Jadhav Sagar Sudam, Delfin Jay C., Lohse Marc, Giavalisco Patrick, Usadel Bjoern, Zhang Youjun, Luo Jie, Bouzayen Mondher, Fernie Alisdair R.
  • 雑誌名: Molecular Plant 巻: S1674-2052 ページ: 30105-30102
  • DOI: 10.1016/j.molp.2020.04.004.
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Diversity of anthocyanin and proanthocyanin biosynthesis in land plants (2020)
  • 著者名/発表者名: Saigo Tomoki, Tong Wang, Watanabe Mutsumi, Tohge Takayuki.
  • 雑誌名: Current Opinion in Plant Biology 巻: 55 ページ: 93-99
  • DOI: 10.1016/j.pbi.2020.04.001.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Sulphur systems biology - making sense of omics data (2019)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Mutsumi, Hoefgen Rainer
  • 雑誌名: Journal of Experimental Botany 巻: 70 ページ: 4155-4170
  • DOI: https://doi.org/10.1093/jxb/erz260
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] シロイヌナズナにおけるβ-Substituted Alanine Synthase (BSAS)遺伝子の機能解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山口玲於，峠隆之，渡邉むつみ
  • 学会等名: 第61回日本植物生理学会年会
• [学会発表] アブラナ科作物種B. oleraceaの硫黄欠乏応答の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 西元崚太，中山加奈，ライナーホフゲン，アリスダーファーニー，渡邉むつみ，峠隆之
  • 学会等名: 第61回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シロイヌナズナのセリンアセチル転移酵素class III遺伝子の機能解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 山際天衣子，峠隆之，渡邉むつみ
  • 学会等名: 第61回日本植物生理学会年会
• [学会発表] アントシアニンの化学構造と制御因子の多様性解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 西郷知樹，丸居寛，王Tong，渡邉むつみ，峠隆之
  • 学会等名: 第61回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Cross-species comparison of fruit-metabolomics to define pathway structure and metabolic regulation of fruit polyphenolics in different species of pepper (Capsicum spp.) (2020)
  • 著者名/発表者名: Carla Lenore F. Calumpang, Mutsumi Watanabe, Takayuki Tohge
  • 学会等名: 第61回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Cross-species comparison and functional analysis of flavonoid type MYB transcription factors (2020)
  • 著者名/発表者名: Tong Wang, Tomoki Kobayashi, Mutsumi Watanabe, Takayuki Tohge
  • 学会等名: 第61回日本植物生理学会年会