植物の栄養飢餓とオートファジー

2013 年度 実績報告書

• 研究領域: 大地環境変動に対する植物の生存・成長突破力の分子的統合解析
• 研究課題/領域番号: 25119703
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 石田 宏幸 東北大学, (連合)農学研究科(研究院), 准教授 (60312625)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: オートファジー / 老化 / 栄養飢餓 / 葉緑体 / シロイヌナズナ

研究概要

本研究では真核生物に普遍的に備わる細胞自己分解システム「オートファジー」が、植物の栄養飢餓応答に果たす役割についてモデル植物であるシロイヌナズナとイネを材料に分子レベルで明らかにすることを目的とし、本年度は以下の3項目について解析した。
（1）シロイヌナズナにおける各種無機栄養素の欠乏とオートファジー：　オートファジー欠損変異体（Atatg5-1, Atatg10-1）では窒素の他にリンや亜鉛の欠乏条件下での生存率が野生体に比べて特に低下した。
（2）RCB形成に関わる新規遺伝子座の特定：　葉緑体ストロマタンパク質を含むオートファジー小胞であるRCB形成の特異的な制御の分子機構について明らかにするため正遺伝学的な解析を行った。RCBを蓄積しなくなる変異体を複数単離したが、それらはすべて既存のAtatg変異体（atg3-1, atg7-1, atg10-1）のアリルであった。他にRCBが細胞質に過剰蓄積する新奇変異体やプラスチドが形態異常となる変異体を単離した。またそれらの変異体について原因遺伝子座の同定を進めた。
（3）オートファジーの植物種間差について：　シロイヌナズナとイネにおけるオートファジーの役割の違いや共通性について解析した。オートファゴソームやRCBの形成については共通性が見られた。2種間における最も顕著な違いは、イネのオートファジー欠損変異体では不稔となり生活環が回らなくなる事であった。

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

植物の栄養飢餓応答においてオートファジーが重要な役割を果たしていることが様々な面から見えてきた。特に光合成が制限される状況や、無機栄養素の中でも特に窒素、リン、亜鉛など植物体内を移動しやすい栄養素の欠乏時に、オートファジーがそれらの体内リサイクルを担っていることが強く示唆された。またシロイヌナズナとイネの比較によって、オートファジーの役割についての植物種間差や共通性についての基本的な知見を得ることができた。

今後の研究の推進方策

植物の栄養飢餓応答におけるオートファジーの生理学的な重要性が明らかとなった。今後はそれを支える分子機構の解明についてより一層推進していく必要がある。特にエネルギー源や栄養素の最大のリサイクル基質である葉緑体の選択的オートファジーの機構について明らかにする必要がある。そのためには今年度新規に単離したRCBが細胞質に過剰蓄積する新奇変異体やプラスチドが形態異常となる変異体の原因遺伝子を同定し、それらの役割について明らかにしていく必要がある。

研究成果

• [雑誌論文] Roles of autophagy in chloroplast recycling (2014)
  • 著者名/発表者名: Ishida, H., Izumi M., Wada, S., Makino A
  • 雑誌名: Biochim. Biophys. Acta-Bioenerg. 巻: 1837 ページ: 512-521
  • DOI: 10.1016/j.bbabio.2013.11.009
  • 査読あり
• [雑誌論文] OsATG7 is required for autophagy-dependent lipid metabolism in rice postmeiotic anther development (2014)
  • 著者名/発表者名: Kurusu, T., Koyano, T., Hanamata, S., Kubo, T., Noguchi, Y., Yagi, C., Nagata, N., Yamamoto, T., Ohnishi., T, Okazaki, Y., Kitahata, N., Ando, D., Ishikawa, M., Wada, S., Miyao, A., Hirochika, H., Shimada, H., Makino, A., Saito, K., Ishida, H., Kinoshita, T., Kurata, N., Kuchitsu, K.
  • 雑誌名: Autophagy 巻: 10 ページ: 1-11
  • DOI: 10.4161/auto.28279
  • 査読あり
• [雑誌論文] Deficiency of autophagy leads to significant changes of metabolic profiles in Arabidopsis (2013)
  • 著者名/発表者名: Izumi, M., Hiema, J., Ishida, H.
  • 雑誌名: Plant Signal Behav. 巻: 8 ページ: -
  • DOI: 10.4161/psb.25023
  • 査読あり
• [学会発表] 植物の栄養リサイクルと葉緑体のオートファジー (2014)
  • 著者名/発表者名: 石田宏幸
  • 学会等名: 日本農芸化学会シンポジウム
  • 発表場所: 生田（明治大学）
  • 年月日: 20140328-20140330
  • 招待講演
• [学会発表] Autophagy for Photodamaged Chloroplast in Arabidopsis (2014)
  • 著者名/発表者名: Izumi，M., Ishida，H., Makino，A., Hidema, J.
  • 学会等名: 日本植物生理学会
  • 発表場所: 富山（富山大学）
  • 年月日: 20140318-20140320
• [学会発表] オートファジーの欠損がイネの栄養成長と窒素転流へ与える影響の解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 林田泰和、和田慎也、来須孝光、朽津和幸、牧野周、石田宏幸
  • 学会等名: 日本植物生理学会
  • 発表場所: 富山（富山大学）
  • 年月日: 20140318-20140320
• [学会発表] Role of autophagy in Rubisco degradation during leaf senescence (2013)
  • 著者名/発表者名: Ishida, H., Ono, Y., Wada, S., Izumi, M., Yoshimoto, K., Mae, T., Makino, A.
  • 学会等名: 6th European Workshop on Leaf Senescence
  • 発表場所: フランス（INRA-Versailles）
  • 年月日: 20131014-20131018
• [学会発表] Identification of a rice autophagy defected mutant, OsATG7, and phenotypes in the life cycle (2013)
  • 著者名/発表者名: Wada, S., Hatyashida, Y., Kurusu, T., Kuchitsu, K., Makino, A., Ishida, H.
  • 学会等名: 6th European Workshop on Leaf Senescence
  • 発表場所: フランス（INRA-Versailles）
  • 年月日: 20131014-20131018
• [学会発表] Autophagy in plant energy availability (2013)
  • 著者名/発表者名: Izumi, M., Hirota, T., Hidema, J., Makino, A.
  • 学会等名: 6th European Workshop on Leaf Senescence
  • 発表場所: フランス（INRA-Versailles）
  • 年月日: 20131014-20131018
• [学会発表] イネオートファジー欠損変異体Osatg7 の生理解析－ ( その１) 栄養成長期における個体生育について－ (2013)
  • 著者名/発表者名: 和田慎也、林田泰和、来須孝光、朽津和幸、牧野周、石田宏幸
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会
  • 発表場所: 名古屋（名古屋大学）
  • 年月日: 20130911-20130913
• [学会発表] イネオートファジー欠損変異体Osatg7 の生理解析－（その２）葉の老化過程における窒素転流への影響について－ (2013)
  • 著者名/発表者名: 林田泰和、和田慎也、来須孝光、朽津和幸、牧野周、石田宏幸
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会
  • 発表場所: 名古屋（名古屋大学）
  • 年月日: 20130911-20130913
• [学会発表] イネにおけるRubisco-containing body/ オートファジー系の可視化 (2013)
  • 著者名/発表者名: 泉正範、日手間純、近藤依里、牧野周、石田宏幸
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会
  • 発表場所: 名古屋（名古屋大学）
  • 年月日: 20130911-20130913