植物の組織形成を規定するリン酸とピロリン酸の濃度バランス

2017 年度 実績報告書

• 研究領域: 植物発生ロジックの多元的開拓
• 研究課題/領域番号: 16H01235
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 前島 正義 名古屋大学, 生命農学研究科, 教授 (80181577)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: ピロリン酸 / 代謝調節 / 細胞壁 / ピロホスファターゼ / 窒素栄養

研究実績の概要

ピロリン酸（PPi）は核酸、タンパク質、多糖の生合成、脂肪の代謝の過程で生ずる代謝副産物であり、PPiを反応系から除去できなければ、これらの高分子合成は抑制される。一方、植物にはPPiを利用する酵素も存在し、PPi濃度の過度な低下も生育に負の影響を与える。細胞質PPiを無機リンに加水分解する酵素として、液胞膜H+輸送性ピロホスファターゼ（V-PPase）と可溶性ピロホスファターゼ（sPPase）が存在する。本研究は、これらの酵素がPPi濃度を適切に維持する機構を明らかにし、単純な無機化合物による形態形成制御という現象を深く理解することを目的とした。
二重破壊株V-PPaseとsPPaseは、低張液で根端が破裂するが、根端でセルロース量が大幅に減少していることを組織染色により実証した。細胞壁成分の化学分析においてもグルカンの低下を検出した。
V-PPase欠失株では培地窒素源にアンモニアが含まれない場合、本葉の萎縮という表現型が出現する。組織の萎縮はPPiの蓄積による細胞壁とクチクラ層の弱体化が原因と考えられる。また、アンモニアのほかに、アルギニンの培地添加も萎縮を顕著に抑制することを見出した。硝酸は地上部、アンモニアは根で主に同化されることから、硝酸限定条件では窒素代謝で生成するPPiが地上部に集中するため、V-PPase欠失株ではPPi加水分解能力を超えてしまうと推定した。
V-PPase発現量の極端に低い根端コルメラ細胞において、V-PPaseを異所発現させるとデンプン量の減少が見られたが、逆に発現量の極端に高い蜜腺では、開花に伴いV-PPaseとsPPaseが増加すること、遺伝子破壊株において蜜成分の量が減少することを発見した。V-PPaseとsPPaseが組織毎にPPiレベルを調節することでそれぞれ最適な糖の流れを決定していると考えられる。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] オックスフォード大学(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: オックスフォード大学
• [国際共同研究] ハイデルベルグ大学(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: ハイデルベルグ大学
• [雑誌論文] Biochemical, structural, and physiological characteristics of vacuolar H(+)-pyrophosphatase. (2018)
  • 著者名/発表者名: Segami, S., Asaoka, M., Kinoshita, S., Fukuda, M., Nakanishi, Y., and Maeshima, M.
  • 雑誌名: Plant & Cell Physiology 巻: 59 ページ: In press
  • DOI: 10.1093/pcp/pcy054
  • 査読あり
• [雑誌論文] Vacuolar H(+)-pyrophosphatase and cytosolic soluble pyrophosphatases cooperatively regulate pyrophosphate levels in Arabidopsis thaliana. (2018)
  • 著者名/発表者名: Segami, S., Tomoyama, T., Sakamoto, S., Gunji, S., Fukuda, M., Kinoshita, S., Mitsuda, N., Ferjani, A., and Maeshima, M.
  • 雑誌名: The Plant Cell 巻: 30 ページ: In press
  • DOI: 10.1105/tpc.17.00911
  • 査読あり
• [雑誌論文] Functionally redundant LNG3 and LNG4 genes regulate turgor-driven polar cell elongation through activation of XTH17 and XTH24 (2018)
  • 著者名/発表者名: Lee, Y.K., Rhee, J., Lee, S.H., Chung, G.C., Park, S.J., Segami, S., Maeshima, M., and Choi, G.
  • 雑誌名: Plant Molecular Biology 巻: In press ページ: In press
  • DOI: 10.1007/s1110 3-018-0722-0
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Compensated cell enlargement in fugu5 is specifically triggered by lowered sucrose production from seed storage lipids. (2017)
  • 著者名/発表者名: Takahashi, K., Morimoto, R., Ishida, M., Asaoka, M., Maeshima, M., Tsukaya, H., and Ferjani, A.
  • 雑誌名: Plant & Cell Physiology 巻: 58 ページ: 668-678
  • DOI: 10.1093/pcp/pcx021
  • 査読あり
• [雑誌論文] SRPP, a cell-wall protein involved in development and protection of seeds and root hairs in Arabidopsis thaliana. (2017)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, N., Uno, H., Okuda, S., Gunji, S., Ferjani, A., Aoyama, T., and Maeshima, M.
  • 雑誌名: Plant & Cell Physiology 巻: 58 ページ: 760-769
  • DOI: 10.1093/pcp/pcx008
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancement of cell wall protein SRPP expression during emergent root hair development in Arabidopsis. (2017)
  • 著者名/発表者名: Uno, H., Tanaka-Takada, N., Sato, R., and Maeshima, M.
  • 雑誌名: Plant Signaling & Behavior 巻: 12 ページ: e1368940
  • DOI: 10.1080/15592324.2017.1368940
  • 査読あり
• [学会発表] Physiological Importance of Pyrophosphatases in Lateral Nectary of Arabidopsis thaliana. (2018)
  • 著者名/発表者名: Kinoshita, S., Segami, S., and Maeshima, M.
  • 学会等名: Japanese Society of Plant Physiologists
• [学会発表] 植物生体膜の物質輸送・情報変換システムに関わる生化学的・分子生理学的研究 (2018)
  • 著者名/発表者名: 前島正義
  • 学会等名: 日本植物生理学会
  • 招待講演
• [学会発表] Arabidopsis PCaP2 modulates the phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate signal on the plasma membrane to attenuates root hair elongation. (2018)
  • 著者名/発表者名: Kato, M., Tsuge, T., Maeshima, M., and Aoyama, T.
  • 学会等名: Japanese Society of Plant Physiologists
• [備考] 名古屋大学生命農学研究科細胞ダイナミクス研究室
  • URL: http://celld.agr.nagoya-u.ac.jp/index.html