植物の低温傷害と凍結傷害の分子機構

1989 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 62304004
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 吉田 静夫 北海道大学, 低温科学研究所, 教授 (90001651)
• 研究分担者: 松尾 友明 鹿児島大学, 農学部, 助手 (90041673) ; 関谷 次郎 岡山大学, 農学部, 助教授 (10035123) ; 村田 紀夫 岡崎国立協同研究機構, 基礎生物学研究所, 教授 (90011569) ; 坂田 亮 慶応大学, 理工学部, 教授 (10051020) ; 伊藤 精亮 帯広蓄産大学, 蓄産学部, 教授 (30003099)
• キーワード: 低温傷害の機構 / 凍結傷害の機構 / 飽和極性脂質分子種 / 液胞膜プロトン輸送の温度依存性 / 低温慣化の機構と細胞膜 / 液胞膜H^+-ATPaseとH^+-PPase / 酵素の精製とcDNAクロ-ニング

研究概要

1)低温傷害の分子機構:植物の低温傷害の原因は、a)葉緑体膜の飽和PG(phosphatidylglycerol)分子種の低温による相分離と光合成機能の損傷、b)液胞膜プロトン輸送の低温による機能低下と細胞内イオン環境の攪乱による事が明かとなった。飽和PG分子種の生合成を支配するglycerol-3-phosphate acyltransferaseはカボチャ子葉から精製されcDNAがクロ-ニングされ塩基配列が決定された。また、ヤエナリの液胞膜からはH^+-ATPaseとH^+-PPaseが可溶化精製され分子構造が明らかにされた。H^+-ATPase低温による失活は合計10個からなるsubunitのうち57、68ならびに32KDaの三つのsubunitが解離することによると推定された。
PG飽和分子種が葉緑体膜中で相分離を起こす事がクロロフィルのミリ秒領域の遅延蛍光光解析により実証され、また、液胞膜のプロトン輸送機能の低下が細胞質を酸性化させる事を蛍光プロ-ブ法および^<31>P-NMRによる実験で明らかにされた。
2)凍結傷害並びに低温馴化の機構:電子顕微鏡を用いた研究により、凍結傷害は細胞膜の分子構造の変化と密接に関連していることが明確となった。細胞凍結によりもたらされる細胞膜の構造変化は多様であり、凍結傷害の機構も多様性があることが示唆された。凍結による細胞膜内蛋白質粒子の凝集とラメラ相からヘキサゴナルII相への相転移は、凍結による細胞膜表層の水和水が失われる事と細胞外に形成される氷晶による機械的ストレスの二つの要因が関係している。一方、植物の低温馴化に於て一群の膜蛋白質が大きく入れ替わり、分子的再編成が起こることが推察された。以上の結果は低温傷害と凍結傷害が異なる機構によってもたらされることを示している。

研究成果

• [文献書誌] C.Matsuura-Endo,M.Maeshima and S.Yoshida: "subunit composition of vacuolar membrane H^+-ATPase from mung bean." Eur.J.Biochem.187. 745-751 (1990)
• [文献書誌] M.Maeshima and S.Yoshia: "Purification and properties of vacular memebrane proton translocating inorganic pyrophosphatase from mung bean." J.Biol.Chem.264. 20068-20073 (1989)
• [文献書誌] O.Ishizaki,I.Nishida,K.Agata,G.Eguchi and n.Murata: "Cloning and nucleotide sequence of cDNA from the plastid glycerol-3-phosphate acyltransferase form squash" FEBS Lett.238. 424-430 (1988)
• [文献書誌] Y.Tasaka, I.Nishida,S.Higashi,T.Beppu and N.Murata: "Fatty acid composition of phospphatidylglycerols in relation to chilling sensitivity of woody plants." Plant.Cell Physiol.(1990)
• [文献書誌] D.C.Fork and N.Murata: "The effect of light intensitiy on the assay of the low temeprature limit of photosynthesis using msec delayed light emission." Photosynthesis Res.(1990)
• [文献書誌] J.Sekiya: "Molecular species of phosphatidylglycerol from leaves of various Citrus species." Agr.Biol.chem.54. (1990)
• [文献書誌] S.Yoshida and M.Uemura: "Responses of the plasma membrane to cold acclimation and freezing stress.In The Plant plasma Membrane-Structure,fuction and Molecular Bi-logy(C.Larsson,M.Moller eds)" Springer Verlag, (1990)
• [文献書誌] N.Murata and I.Nishida: "Lipids in relation to chling sesitivities of plants In Chilling Injury of Horticultural Crops(C.Y.Wang eds)" CRC Press, (1990)