2022 Fiscal Year Annual Research Report
Molecular mechanism of wound-induced responses as a strategy of plant resilience
| Project Area | Multi-layered regulatory system of plant resilience under fluctuating environment |
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| Project/Area Number |
20H05911
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
杉本 慶子 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 (30455349)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松永 幸大 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (40323448)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Keywords | ヒストン修飾 / ヒストンバリアント / 転写制御 / 傷害応答 / 器官修復 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、主に植物が不規則変動する複合環境情報を統合する機構、またこうした複合環境情報に応答してプロテオームを最適化する機構の解明を目指している。今年度は主に光情報が傷害修復応答を調節するしくみの解明を進めた。昨年度の先行研究から黄化芽生えの下胚軸が傷害に応答して茎葉を再生するためには茎葉再生の初期に白色光を受容する必要があること、またこの制御には私たちが注目している転写因子が必要であることを見出していた。今年度はこの転写因子の変異体を用いたRNAseqを行い、既報のChIPseqデータと併せて下流標的遺伝子を探索した。また、光受容体に注目して茎葉再生に必要な光シグナル経路の同定を行った。その結果、青色光受容体のクリプトクローム（CRY）が茎葉再生に関与していることがわかった。実際、赤色光照射のみにして青色光を遮断すると、茎葉再生が抑制された。このCRYが遺伝子発現を制御していると考え、RNA-seqによりCRY変異体において遺伝子発現が変動する遺伝子群を特定した。その中で、オーキシン応答転写因子であるARFに注目して解析を進めた。
さらに傷害もしくは高温ストレス付与後のサンプルを用いて行ったCAGE-seqデータを用いて、傷害や高温ストレスがどのような転写開始点変化を引き起こすかを解析した。これまでに同定した転写開始点が変化する遺伝子のうちタンパク質の機能変化が起きると予想されるものについて機能検証実験を開始した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
先行研究から植物が傷害に応答して茎葉を再生するためには光シグナルによって誘導される転写因子を介した制御が必要であることを見出しており、今年度はその具体的な仕組みの解明を目指した。この結果、この転写因子は黄化芽生えの下胚軸においては根端メリステム形成に関与する遺伝子の発現を抑制すること、逆に茎葉メリステム形成に関与する遺伝子の発現を誘導することが見えてきた。これらの下流候補遺伝子のうち、一部については転写因子が直接制御する可能性も浮上したため、ゲルシフトアッセイによって予想シス配列への結合を確認した。光受容体（CRY)を中心に解析を進めた。CRY欠損により転写が変動する遺伝子をRNA-seq解析から同定した結果、CRY変異体において遺伝子発現が低下するオーキシン応答転写因子であるARFを2種類同定した。ARFの変異体の茎葉再生の表現型を解析した結果、2種類のARF変異体は相反する結果となった。一つのARF（茎葉促進ARF）は茎葉の形成がCRYの変異体と同様に著しく抑制されたが、もう一方のARF（茎葉抑制ARF）は予想に反し茎葉の形成が促進された。茎葉抑制ARFの変異体のRNA-seq解析を行い、遺伝子発現が変動する遺伝子を同定した。CRYと茎葉抑制ARF共通に制御される遺伝子群を同定することができた。
さらに、CAGE-seq解析からは、傷害及び高温ストレスによって共通に誘導される転写開始点変化を抽出することができた。
これらの成果は今年度に予定していた研究計画に沿ったものであり、本研究は概ね順調に進展していると判断される。
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| Strategy for Future Research Activity |
光情報によって傷害修復応答が調節されるしくみの解明を継続する。これまでの解析から、研究対象としている転写因子が根端メリステム形成を抑制しつつ、茎葉メリステム形成を促進することが見えてきており、これらの下流標的遺伝子との機能関係を遺伝学的に検証する。ARF因子はタンパク質構造的に相互作用する可能性があることがAlphaFolod2により示唆されていることから、実際に相互作用することを検証する。具体的にはタンパク質免疫沈降により、カルス形成段階において複合体を形成することを検証する。また、遺伝学的な相互作用を解析するために、ARFとCRYの二重変異体を作出して表現型を解析する。ARFとCRYが共通して制御する遺伝子群の変異体を解析することで、ARFとCRYの複合体の機能を検証する。以上の解析から、光応答による器官再生メカメカニズムを明らかにしていく予定である。
また、より自然環境に近い条件下で傷害修復応答に対する光の影響を調べるために、植物ホルモンを添加しない条件下で茎葉を再生する植物を用いた実験を進める。さらにCAGE-seqデータを用いて、傷害や高温ストレスがどのような転写開始点変化を引き起こすかを解析する。高温ストレスを付与したサンプルで行ったISO-seqデータとの比較からCAGE-seqで検出していた転写開始点の変化を再確認出来ただけでなく、スプライシングの位置が変化したバリアントも多数検出しており、これらの情報を合わせてタンパク機能の変化を検証する。
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[Journal Article] Histone deacetylation regulates de novo shoot regeneration2023
Author(s)
Temman Haruka、Sakamoto Takuya、Ueda Minoru、Sugimoto Kaoru、Migihashi Masako、Yamamoto Kazunari、Tsujimoto-Inui Yayoi、Sato Hikaru、Shibuta Mio K、Nishino Norikazu、Nakamura Tomoe、Shimada Hiroaki、Taniguchi Yukimi Y、Takeda Seiji、Aida Mitsuhiro、Suzuki Takamasa、Seki Motoaki、Matsunaga Sachihiro
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Journal Title
PNAS Nexus
Volume: 2
Pages: pgad002-14
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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