アンチセンスncRNAを介した植物の環境ストレス認識・記憶システムの解析

2018 年度 実績報告書

• 研究領域: 植物の成長可塑性を支える環境認識と記憶の自律分散型統御システム
• 研究課題/領域番号: 18H04791
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 関 原明 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, チームリーダー (80281624)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: アンチセンスRNA / 長鎖ncRNA / 植物の環境ストレス適応 / 環境ストレス記憶

研究実績の概要

1.ストレス誘導性のアンチセンスncRNAの生成に関わる新規因子の同定および機能解析：2本鎖RNA分解に関与する2本鎖RNaseのRTL1を同定し解析を進めた。RTL1は再吸水処理で発現が上昇する。エストラジオール誘導性の人工miRNAを用いたRTL1の機能抑制系統を作成し解析を進めている。2本鎖RNA分解経路（RDR1/2/6とRTL1が関与）と1本鎖RNA分解経路（XRN4）の関係（RDR1/2/6 がmRNA の分解産物を鋳型とするか）を解析するために、xrn4とrdr1/2/6の4重変異体の作成を試みたがホモ変異体を作出できなかった。F2世代のアリル解析や遺伝学的な連鎖解析に加えて、エストラジオール誘導性の人工miRNAを用いた4重変異体の作成も進めている。新規因子の同定を目指してrdr1/2/6をEMS 処理して、乾燥-再吸水処理後の根の生長がrdr1/2/6と異なる系統を選抜した。根の伸長復帰変異体が3系統、伸長抑制変異体が2系統単離され、変異遺伝子の探索を進めている。

2.ストレス誘導性のアンチセンスncRNAの環境ストレス適応・記憶における生理的な機能解明：再吸水による回復時に生理的な機能を有するRDR1/2/6のターゲットmRNAを同定するために、顕著な表現型が観察された根組織を用いてrdr1/2/6および野生株のトランスクリプトーム解析を行った。再吸水時のrdr1/2/6と野生型の発現を比較すると、サリチル酸(SA)応答性の遺伝子の発現が変化していた。rdr1/2/6依存性のアンチセンスncRNA遺伝子座と比較するとSA応答性の転写因子が重複していた。SA処理により、野生型では成長応答に変化が見られないが、rdr1/2/6では根の成長抑制とアントシアニン蓄積が観察された。RDR1/2/6はSA応答の一部を抑制する機能を有することが示唆された。

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

連携研究者と密に相談しながら研究を実施しているため。

今後の研究の推進方策

環境ストレス下でRDR1/2/6によって生成されるアンチセンスRNAは、mRNA分解を促進していた。2018年度にXRN4依存的なRNA分解とRDR依存的なRNA分解が相補的な関係である可能性および、再給水時のrdr1/2/6の表現型がサリチル酸（SA)シグナルに関連する可能性を示した。2019年度は、以下の研究を推進する。
1.野生型シロイヌナズナの根の伸長に対してSAシグナルは正負の複雑な制御に関与する事が推測される。アンチセンスRNAの影響がSAシグナルの一部抑制やSAに対する高感受性に関与するかを確認するために、ターゲット遺伝子の変異体を用いた解析やSA濃度を変えた処理実験を実施する。
2.mRNA分解に関与するNMDのターゲットmRNAを認識するUPF1, UPF3の変異体ではSA高感受性になることが報告されている。しかしながら、XRN4変異体のSA感受性は報告されていない。アンチセンスRNAの生成機構とSAシグナル経路の関係を明らかにするために、upf1,upf3,xrn4,rdr1/2/6の変異体を用いてSA感受性やRDR1/2/6のターゲット遺伝子（SAシグナル伝達に関与するもの）への影響を解析する。
3.XRN4遺伝子を標的としてエストラジオール誘導性人工miRNAを導入したxrn4/rdr1/2/6の4重変異体を用いて、乾燥やSA処理による表現型およびターゲットmRNAの分解速度を測定する。これによって実験２の結果を直接的に確認する。
4.RTL1あるいはRTL2遺伝子（RTL1のホモログ遺伝子）に対するエストラジオール誘導性人工miRNAを導入した形質転換体を用いてアンチセンスRNAの蓄積量とRNA分解速度を測定する。これによってRDR1/2/6によって生成されたアンチセンスRNAがRTL1あるいはRTL2により分解されるかを確認する。

研究成果

• [雑誌論文] The involvement of long non-coding RNAs in response to plant stress (2019)
  • 著者名/発表者名: Matsui, A.* and Seki, M.*
  • 雑誌名: Methods in Molecular Biology 巻: 1933 ページ: 151-171
  • DOI: 10.1007/978-1-4939-9045-0_8.
  • 査読あり
• [雑誌論文] The duration of high-salinity stress tolerance by ethanol in Arabidopsis thaliana. (2018)
  • 著者名/発表者名: Sako, K., Sunaoshi, Y., Tanaka, M., Matsui, A. and Seki, M.
  • 雑誌名: Plant Signal. Behav. 巻: 13 ページ: e1500065
  • DOI: 10.1080/15592324.2018.1500065.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Versatility of HDA19-deficiency for increasing tolerance to environmental stresses in Arabidopsis. (2018)
  • 著者名/発表者名: Ueda, M., Matsui, A., Nakamura, T., Abe, T., Sunaoshi, Y., Shimada, H. and Seki, M.
  • 雑誌名: Plant Signal. Behav. 巻: 13 ページ: e1475808
  • DOI: 10.1080/15592324.2018.1475808.
  • 査読あり
• [雑誌論文] AtPep3 is a hormone-like peptide that plays a role in salinity stress tolerance of plants. (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakaminami, K., Okamoto, M., Higuchi-Takeuchi, M., Yoshizumi, T., Yamaguchi, Y., Fukao, Y., Shimizu, M., Ohashi, C., Tanaka, M., Matsui, M., Shinozaki, K., Seki, M.* and Hanada, K.*
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 巻: 115 ページ: 5810-5815
  • DOI: 10.1073/pnas.1719491115.
  • 査読あり
• [雑誌論文] The modulation of acetic acid pathway genes in Arabidopsis produces drought-stress tolerant plants. (2018)
  • 著者名/発表者名: Rasheed, S., Bashir, K., Kim, J.M., Ando, M., Tanaka, M. and Seki, M.
  • 雑誌名: Scientific Rep. 巻: 8 ページ: 7831
  • DOI: 10.1038/s41598-018-26103-2.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transcriptomic analysis of Arabidopsis thaliana plants treated with the Ky-9 and Ky-72 histone deacetylase inhibitors. (2018)
  • 著者名/発表者名: Nguyen, H.M., Sako, K., Matsui, A., Ueda, M., Tanaka, M., Ito, A., Nishino, N., Yoshida, M. and Seki, M.
  • 雑誌名: Plant Signal. Behav. 巻: 13 ページ: e1448333
  • DOI: 10.1080/15592324.2018.1448333.
  • 査読あり
• [学会発表] Novel antisense RNA and epigenome regulation in plant abiotic stress adaptation (2019)
  • 著者名/発表者名: Matsui, A., Ueda, M., Bashir, K., Sako, K., Kim, J.M., Nguyen, H.M., Sunaoshi, Y., Rasheed, S., Ishida, J., Tanaka, M. and Seki, M.
  • 学会等名: The International Conference on Post-transcriptional Gene Regulation in Plants (PGRP) 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Novel Epigenetic, RNA and Peptide Regulation in Plant Abiotic Stress Adaptation (2018)
  • 著者名/発表者名: Seki, M.
  • 学会等名: Seminar at Institute of Network Biology (INET), Helmholtz Zentrum Munchen
  • 招待講演
• [学会発表] Novel Epigenetic and RNA Regulation in Plant Abiotic Stress Adaptation (2018)
  • 著者名/発表者名: Seki, M.
  • 学会等名: The 5th International Conference “Plant Abiotic Stress Tolerance”, Vienna International Science Conferences and Events Association (VISCEA)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Molecular mechanisms of drought tolerance (2018)
  • 著者名/発表者名: Matsui, A., Bashir, K., Ueda, M., Kim, J.M., Nguyen, H.M., Sako, K., Sunaoshi, Y., Rasheed, S., Nakaminami, K., Ishida, J., Tanaka, M. and Seki, M.
  • 学会等名: FEBS Workshop 2018 - Resurrection plants: Hope for crop drought tolerance (ReHOPE)
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 国立研究開発法人理化学研究所環境資源科学研究センター植物ゲノム発現研究チームホームページ
  • URL: http://www.csrs.riken.jp/jp/labs/pgnrt/index.html