イネの生殖・免疫・代謝制御におけるオートファジーの役割の統合的理解

2016 年度 実績報告書

• 研究領域: オートファジーの集学的研究：分子基盤から疾患まで
• 研究課題/領域番号: 16H01207
• 研究機関: 東京理科大学
• 研究代表者: 朽津 和幸 東京理科大学, 理工学部応用生物科学科, 教授 (50211884)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: オートファジー / イネ / プログラム細胞死 / タペート細胞 / 植物免疫 / 花粉形成 / 胚乳形成 / 種子登熟

研究実績の概要

被子植物の葯のタペート細胞は、花粉成熟期にプログラム細胞死(PCD)が誘導され、花粉への栄養供給を担う。イネの花粉成熟期において、タペート細胞内でオートファジーが誘導され、オートファジー欠損変異体Osatg7-1では、脂肪滴の分解・タペート細胞のPCDの不全や、花粉成熟不良を示し、その結果不稔となる。花粉成熟過程のオートファジー動態・PCD欠損変異体の表現型を解析し、タペート細胞のPCD制御におけるオートファジー誘導、活性酸素種(ROS)の積極的生成、転写制御ネットワークの相互関連性について解析した。タペート細胞の運命を決定する転写因子が、一部のATG遺伝子の発現制御及びオートファジー活性の制御に関与する可能性が示唆された。タペート細胞におけるROS生成を定量的に測定する実験系の確立を進めた。またROS生成酵素がタペート細胞におけるオートファジーやPCDの制御に関与しているとの作業仮説を立て、ゲノム編集法により、ROS生成酵素変異体の作出とその表現型の解析を進めた。
オートファジー欠損変異体は、栽培条件によっては低頻度で稔実するが、その種子は、澱粉蓄積異常を示すくず米となることを見出した。オートファジーが植物の胚乳形成に関与するとの、これまで全く未解明の新たな仮説を検証するため、変異体におけるタンパク質や澱粉の解析を進めた。
オートファジー欠損変異体は、病原性真菌いもち病菌に対する耐病性が低下することを見出し、そのメカニズムの解析を進めた。

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

当初予期しなかった方向にも研究が進展し、イネ、そして植物界全体におけるオートファジーの新たな制御機構の解明が期待される。一方、同一の遺伝子型でも生育環境によって表現型が異なることも明らかになり、生育環境を一定に制御することの重要性が明らかとなった。

今後の研究の推進方策

(1)イネのタペート細胞におけるオートファジー動態・脂質制御機構の解析：花粉成熟期におけるタペート細胞のプログラム細胞死(PCD)のイメージング解析を進める。タペート細胞のPCDが不全となる転写因子欠損突然変異体を、イメージング解析し、PCD誘導転写制御ネットワーク、活性酸素種(ROS)積極的生成系、オートファジーの相互関係の解析を進める。PCDの分子機構に迫り、花粉成熟過程でタペート細胞において誘導されるオートファジーが、接合子（花粉）に供給される栄養源の代謝回転及び、PCD誘導の双方に関与しているとの作業
仮説を検証する。タペート細胞特異的な細胞死不全は、農学的に低温・高温などのストレスにより誘導されるイネの不稔の最も重要な原因とされて来たが、その分子機構は全く不明である。これまでに得られた状況証拠から、ストレスによる作物の低下の原因の一つとして、オートファジー不全が関与しているとの作業仮説を着想した。低温・高温ストレスにより不稔となったイネにおけるオートファジー動態を解析し、ストレスにより誘導される不稔や細胞死不全にオートファジーが関与する可能性を検証する。
(2)イネのオートファジ一欠損変異体を用いた、植物免疫におけるオートファジーの役割の解析：オートファジー変異体において、いもち病菌に対する耐病性が低下する可能性が示唆された。他の病原体に対する耐病性の解析も進める。植物免疫のさまざまな応答反応のうち、何がオートファジーの影響を受けているかを解析する。
(3)イネの胚乳形成におけるオートファジーの役割の解析：わずかながら稔実したイネのオートファジー変異体において、種子の澱粉粒の形成が異常となることを見出した。種子の澱粉粒は、米の品質に関与する重要形質であり、胚乳形成におけるオートファジーの役割の解析を進める。

研究成果

• [雑誌論文] Autophagy, programmed cell death and reactive oxygen species in sexual reproduction in plants. (2017)
  • 著者名/発表者名: Kurusu T, Kuchitsu K
  • 雑誌名: Journal of Plant Reserach 巻: 130 ページ: 491-499
  • DOI: 10.1007/s10265-017-0934-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] “Fusion” in Fertilization: Interdisciplinary Collaboration among Plant and Animal Scientists. (2017)
  • 著者名/発表者名: Yamato KT, Kuchitsu K
  • 雑誌名: Journal of Plant Research 巻: 印刷中 ページ: 印刷中
  • DOI: 10.1007/s10265-017-0937-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Harnessing host ROS-generating machinery for the robust genome replication of a plant RNA virus. (2017)
  • 著者名/発表者名: Hyodo K, Hashimoto K, Kuchitsu K, Suzuki N, Okuno T
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Science, U.S.A. 巻: 114 ページ: E1282-E1290
  • DOI: 10.1073/pnas.1610212114
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Quantitative live cell imaging of autophagic flux and roles of autophagy in reproductive development in plants. (2016)
  • 著者名/発表者名: Kurusu T, Hanamata S, Kuchitsu K
  • 雑誌名: Bioimages 巻: 24 ページ: 1-11
  • DOI: 10.11169/bioimages.24.1
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Freezing behaviours in wintering Cornus florida flower bud tissues revisited using MRI. (2016)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa M, Ide H, Yamazaki H, Murakawa H, Kuchitsu K, Price WS, Arata Y.
  • 雑誌名: Plant Cell and Environment 巻: 39 ページ: 2663-2675
  • DOI: 10.1111/pce.12813
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stomatal closure induced by phytosphingosine-1-phosphate and sphingosine-1-phosphate depends on nitric oxide and pH of guard cells in Pisum sativum. (2016)
  • 著者名/発表者名: Puli MR, Rajsheel P, Aswani V, Agurla S, Kuchitsu K, Raghavendra AS
  • 雑誌名: Planta 巻: 244 ページ: 831-841
  • DOI: 10.1007/s00425-016-2545-z.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mitogen-activated protein kinase 4-like carrying an MEY motif instead of a TXY motif is involved in ozone tolerance and regulation of stomatal closure. (2016)
  • 著者名/発表者名: Yanagawa Y, Yoda H, Osaki K, Amano Y, Aono M ,Seo S, Kuchitsu K, Mitsuhara I
  • 雑誌名: Journal of Experimental Botany 巻: 67 ページ: 3471-3479
  • DOI: 10.1093/jxb/erw17
  • 査読あり
• [学会発表] イネの生殖・プログラム細胞死・代謝制御におけるオートファジーの役割 (2017)
  • 著者名/発表者名: 朽津和幸，瀬良ゆり，澤田隼平，陶文紀，小野聖二郎，花俣繁，坂本真吾，光田展隆，三ツ井敏明，野々村賢一，来須孝光
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会
  • 発表場所: 鹿児島大学（鹿児島県・鹿児島市）
  • 年月日: 2017-03-16 – 2017-03-18
• [学会発表] Critical roles of autophagy in the regulation of reproductive development, programmed cell death and metabolism in rice poster (2016)
  • 著者名/発表者名: Kuchitsu, Kazuyuki
  • 学会等名: COLD SPRING HARBOR ASIA CONFERENCES LATEST ADVANCES IN PLANT DEVELOPMENT AND ENVIRONMENTAL RESPONSE
  • 発表場所: 淡路島夢舞台国際会議場（兵庫県・淡路島市）
  • 年月日: 2016-11-29 – 2016-12-03
  • 国際学会
• [学会発表] イネの種子登熟におけるオートファジーの役割 (2016)
  • 著者名/発表者名: 瀬良ゆり、朽津 和幸
  • 学会等名: 第10回オートファジー研究会若手の会
  • 発表場所: NASPA ニューオータニ（新潟県・越後湯沢市）
  • 年月日: 2016-11-13 – 2016-11-15
• [学会発表] イネの生殖・免疫・代謝制御におけるオートファジーの役割 (2016)
  • 著者名/発表者名: 朽津和幸
  • 学会等名: 第10回オートファジー研究会
  • 発表場所: NASPA ニューオータニ（新潟県・越後湯沢市）
  • 年月日: 2016-11-13 – 2016-11-15
  • 招待講演
• [学会発表] イネの花粉形成における葯タペート細胞のオートファジーの制御機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 澤田隼平、朽津 和幸
  • 学会等名: 第10回オートファジー研究会
  • 発表場所: NASPA ニューオータニ（新潟県・越後湯沢市）
  • 年月日: 2016-11-13 – 2016-11-15
• [学会発表] Reactive Oxygen Species, Programmed Cell Death and Autophagy as Double-Edged Swords in Plant Life: Roles in Morphogenesis and Adaptation. (2016)
  • 著者名/発表者名: Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: QBIC Workshop 2016
  • 発表場所: 東京理科大学（千葉県・野田市）
  • 年月日: 2016-10-12 – 2016-10-14
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Roles of autophagy in rice seed development. (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuri Sera, Takamitsu Kurusu, Shigeru Hanamata, Shingo Sakamoto, Seijiro Ono, Nobutaka Kitahata, Toshiaki Mitsui, Kenichi Nonomura,Nobutaka Mitsuda, Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: QBIC Workshop 2016
  • 発表場所: 東京理科大学（千葉県・野田市）
  • 年月日: 2016-10-12 – 2016-10-14
  • 国際学会
• [学会発表] イネの花粉成熟・種子登熟におけるオートファジーの役割 (2016)
  • 著者名/発表者名: 瀬良ゆり, 陶文紀, 花俣繁, 坂本真吾, 小野聖二郎, 岡咲洋三, 北畑信隆, 小嶋美紀子, 榊原均, 斉藤和季, 野々村賢一, 光田展隆, 来須孝光, 朽津和幸
  • 学会等名: 日本植物学会第80回大会
  • 発表場所: 沖縄コンベンションセンター（沖縄県・宜野湾市）
  • 年月日: 2016-09-16 – 2016-09-18
• [学会発表] 転写因子キメラリプレッサー過剰発現シロイヌナズナ系統における植物免疫応答性の解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 来須孝光, 高林宏樹, 中村早希, 市田佳菜絵, 花俣 繁, 藤原すみれ, 朽津和幸, 光田展隆, 高木優, 多 田雄一
  • 学会等名: 日本植物学会第80回大会
  • 発表場所: 沖縄コンベンションセンター（沖縄県・宜野湾市）
  • 年月日: 2016-09-16 – 2016-09-18
• [学会発表] Regulation of plant development and defense responses by the ROS-Ca2+ signaling network and autophagy. (2016)
  • 著者名/発表者名: Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: Viikki Plant Science Seminar,
  • 発表場所: ヘルシンキ大学（フィンランド）
  • 年月日: 2016-09-13 – 2016-09-13
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Regulation of plant development and defense responses by the ROS-Ca2+ signaling network and autophagy. (2016)
  • 著者名/発表者名: Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: Centre of Exellence in Integrative Photosynthesis and Bioactive Compound Research at Systems Biology Level Seminar
  • 発表場所: トゥルク大学（フィンランド）
  • 年月日: 2016-09-12 – 2016-09-12
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Regulation of plant development and defense responses by the ROS-Ca2+ signaling network. (2016)
  • 著者名/発表者名: Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: Finnish-Japanese symposium 2016 “Integration of photosynthesis with cellular metabolism: towards sustainable bioeconomy”
  • 発表場所: サーリセルカ（フィンランド）
  • 年月日: 2016-09-05 – 2016-09-10
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] イネのオートフジーのイメージングと発生・代謝制御における役割の解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 来須孝光、瀬良ゆり、陶 文紀、澤田隼平、花俣 繁、坂本真吾、 小野聖二郎、岡咲洋三、徳永京也、小嶋美紀子、榊原均、斉藤和季、野々村賢一、小関泰之、光田展隆、多田雄一、朽津和幸
  • 学会等名: 日本バイオイメージング学会
  • 発表場所: 名古屋市立大学薬学部（愛知県・名古屋市）
  • 年月日: 2016-09-05 – 2016-09-06
• [学会発表] イネの花粉成熟・種子登熟におけるオートファジーの役割 (2016)
  • 著者名/発表者名: 来須 孝光、瀬良 ゆり、陶 文紀、花俣 繁、澤田 隼平、 坂本 真吾、小野 聖二郎、岡咲 洋三、小嶋 美紀子、榊原 均、 斉藤 和季、野々村 賢一、光田 展隆、多田 雄一、朽津 和幸
  • 学会等名: 日本バイオイメージング学会
  • 発表場所: 名古屋市立大学薬学部（愛知県・名古屋市）
  • 年月日: 2016-09-05 – 2016-09-06
• [学会発表] 「イネの生活環および代謝制御におけるオートファジーの役割」 (2016)
  • 著者名/発表者名: 来須孝光、瀬良ゆり、陶文紀、澤田隼平、花俣繁、坂本真吾、小野聖二郎、岡咲洋三、小嶋美紀子、榊原均、斉藤和季、野々村賢一、光田展隆、多田雄一、朽津和幸
  • 学会等名: イネ遺伝学・分子生物学ワークショップ2016
  • 発表場所: 名古屋大学内野依記念学術交流館1F（愛知県・名古屋市）
  • 年月日: 2016-07-04 – 2016-07-05
• [学会発表] イネの花粉成熟・種子登熟におけるオートファジーの役割 (2016)
  • 著者名/発表者名: 瀬良ゆり、陶文紀、花俣繁、坂本真吾、小野聖二郎、北畑信隆、野々村賢一、光田展隆、来須孝光、朽津和幸
  • 学会等名: イネ遺伝学・分子生物学ワークショップ2016
  • 発表場所: 名古屋大学内野依記念学術交流館1F（愛知県・名古屋市）
  • 年月日: 2016-07-04 – 2016-07-05
• [学会発表] Regulation of Plant Development and Stress Responses by the ROS-Ca2+ Signaling Network and Autophagy. (2016)
  • 著者名/発表者名: Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: The 2nd Symposium on Plant Environmental Sensing
  • 発表場所: 杭州市（中国）
  • 年月日: 2016-05-11 – 2016-05-11
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] テイツ／ザイガー植物生理学・発生学 原著第6版 (2017)
  • 著者名/発表者名: L. テイツ、E. ザイガー、I. M. モーラー、A. マーフィー編 西谷和彦／島崎研一郎監訳 朽津和幸他訳
  • 総ページ数: 832
  • 出版者: 講談社
• [図書] 植物ホルモンの科学第3版 (2016)
  • 著者名/発表者名: 浅見忠男、柿本辰男編著 朽津 和幸他著
  • 総ページ数: 192
  • 出版者: 講談社
• [図書] 植物学の百科事典 (2016)
  • 著者名/発表者名: 日本植物学会編 日本育種学会編集協力 朽津 和幸他著
  • 総ページ数: 802
  • 出版者: 丸善出版
• [備考] 東京理科大学理工学部応用生物科学科朽津研究室
  • URL: https://www.facebook.com/KuchitsuLab/