京都大学理学研究科植物学教室・年報(2016 年度)

植物分子細胞生物学


本研究室では植物が示す様々な生命現象をモデル植物であるシロイヌナズナを実験材料として、分子レベルおよび細胞レベルから解析している。特に、植物細胞の細胞核、小胞体や液胞などの細胞内膜系の構造や機能発現に関わる分子メカニズムを細胞生物学、分子遺伝学、生化学、分子生物学などの手法を用いて研究している。以下に、これまでの主な研究成果を記す。

研究内容の概略

1.葉の気孔ができるしくみの解明

 植物は大気中から二酸化炭素(CO2)を吸い込み,そのCO2を基にして私達の大切な食糧となるデンプンや油を作ります.植物がCO2を吸い込むときに使う「口」に相当するのが気孔で,まさに唇のような形をしています(図1上).私達はモデル植物シロイヌナズナを用いて,この気孔がどのようなメカニズムで形成されているのかを調べています.私達は気孔の数を調節する機能をもつ新しい生理活性ペプチド「Stomagen」を発見しました(図1).Stomagenは45個のアミノ酸からなる小さなペプチドで,雑草から作物や樹木に至る多種多様な植物がもっている普遍的な因子です.Stomagenを植物に与えると気孔の数が増えることから,様々な植物のCO2吸収能力を上げる応用研究への発展が期待されます.
 さらに私達は最近,気孔形成に影響を与える新規化合物Bubblinを発見しました(図1下).3,650種の低分子化合物からなるケミカルライブラリーをスクリーニングした結果,ピリジン-チアゾール化合物の一種が気孔の分布や形成パターンに影響を与えることを見出しました.私達はこの化合物をBubblinと名付け解析を行いました.植物体にBubblinを処理すると,互いに隣接した気孔が多数形成されます.詳しい解析の結果,Bubblinは気孔前駆細胞の極性形成に影響しており,非対称分裂に異常を示すことが判明しました.植物細胞における極性形成メカニズムは未解明な部分も多く,今後Bubblinの解析によって気孔前駆細胞をモデルとした植物の細胞極性の形成をつかさどるメカニズムの解明につながることが期待されます.

figure 1

図1. 気孔形成に影響を与えるStomagenとBubblin. 上段は左からStomagenの立体構造,シロイヌナズナ野生株,Stomagen過剰発現株. 下段は左からBubblinの構造式,シロイヌナズナ野生株,Bubblin処理株.

2.液胞タンパク質の細胞内輸送機構

 真核細胞内には様々な細胞小器官(オルガネラ)が存在し,このうち小胞体,ゴルジ体,エンドソーム,液胞などのオルガネラを細胞内膜系と呼びます.これら細胞内膜系のオルガネラ間では,膜交通と呼ばれる輸送システムによってタンパク質などの物質がやり取りされています.私達は種子の貯蔵タンパク質を指標にして,植物細胞における膜交通のしくみを調べています.貯蔵タンパク質は種子の登熟期に小胞体で前駆体として大量に合成され,タンパク質蓄積型液胞に輸送され成熟型に変換するため,膜交通を解析するための有用なツールといえます(図2左).
 モデル植物シロイヌナズナを用いた解析より,これまでに貯蔵タンパク質の液胞輸送に関わる多くの因子を明らかにしてきました.VSR1を欠損するシロイヌナズナ変異体の種子では,一部の貯蔵タンパク質が液胞に輸送されず,前駆体の形で誤って細胞外に分泌されます(図2).VSR1は一回膜貫通型のレセプター様タンパク質であり,実際に液胞輸送に機能するシグナル配列と結合することが分かりました.これらのことから,VSR1は液胞タンパク質の細胞内輸送にとって重要な働きをする選別輸送レセプターであると考えられます.さらに最近,私達はVSR1とともに液胞輸送に機能する分子としてAP-4複合体を見出しました.AP-4複合体は輸送レセプターVSR1のサイトゾル側の領域に結合し,その輸送を制御していると考えられます.AP-4複合体の構成因子の変異体でも,貯蔵タンパク質の一部が液胞に輸送されずに細胞外に分泌されます.

figure 2

図2・ 種子貯蔵タンパク質の細胞内輸送. 左は貯蔵タンパク質の細胞内輸送の模式図.赤丸が運ばれる貯蔵タンパク質を示す. 右はシロイヌナズナの貯蔵タンパク質の電気泳動パターン. vsr1変異株にはグロブリンとアルブミンの成熟型に加えてそれぞれの前駆体が異常蓄積している.

3. 細胞核の運動のしくみの解明

 シロイヌナズナを用いた分子遺伝学的解析から,核の形が異常になる変異体(kaku1と命名)を単離しました.このkaku1変異体は,核の形態異常の外,細胞内での核の運動能力の低下という表現型を示しました(図3).これらのkaku1表現型の原因遺伝子は,植物固有のミオシンモータータンパク質(ミオシンXI-i)でした.ミオシンXI-iは,核の形づくりと運動の鍵を握っていることが分かりました.ミオシンXI-iは,核の外膜タンパク質(WITとWIP)と内膜タンパク質(SUN)と結合して,運動のためのナノマシンを形成していました(図4).この運動ナノマシンが,細胞骨格アクチンのレールに沿って核を運動させていました.
 細胞核の運動は生物種を問わずに普遍的に観察される現象ですが,ミオシンモーターとアクチン繊維による運動は他の生物種では見つかっていないことから,植物が進化の過程で独自に獲得したしくみと考えられます.移動できない植物は,この装置を使って,大切な遺伝情報を格納している核を外界のストレスから守っていると考えられます.植物の核は光依存的に細胞内を運動していることが知られていますが,特に暗条件下での核のポジショニングにこの機構が利用されていることも明らかになりました.

figure 3

図3. 野生型シロイヌナズナとミオシンXI-i欠損変異 体の根と根毛細胞内でも核の運動. 0,22.5,45分後の核の位置をそれぞれ青,緑,赤 色で染色している.ミオシンXI-i欠損変異体では核の運動がほとんどないため,3色の核が重なって白く見えている.
figure 4

図4. 植物の細胞核の運動を担う新規ナノマシン. ミオシンXI-iと核の外膜タンパク質(WITとWIP)と内膜タンパク質 (SUN)から構成されるナノマシンは,細胞骨格アクチンのレール に沿って細胞核を運動させる.

最近の主な発表論文

  1. Wang S, Yoshinari A, Shimada T, Hara-Nishimura I, Mitani-Ueno N, Ma JF, Naito S, Takano J. (2017) Polar Localization of the NIP5;1 Boric Acid Channel Is Maintained by Endocytosis and Facilitates Boron Transport in Arabidopsis Roots. Plant Cell, in press.
  2. Sakai Y, Sugano SS, Kawase T, Shirakawa M, Imai Y, Kawamoto Y, Sugiyama H, Nakagawa T, Hara-Nishimura I, Shimada T. (2017) The chemical compound bubblin induces stomatal mispatterning in Arabidopsis by disrupting the intrinsic polarity of stomatal lineage cells. Development, 144, 499-506.
  3. Shimada T, Hara-Nishimura I. (2017) Isolation of Protein Storage Vacuoles and Their Membranes. Methods Mol Biol., 1511, 163-168.
  4. Tamura K, Fukao Y, Hatsugai N, Katagiri F, Hara-Nishimura I. (2017) Nup82 functions redundantly with Nup136 in a salicylic acid-dependent defense response of Arabidopsis thaliana. Nucleus, 10, 0.
  5. Zhou X, Tamura K, Graumann K, Meier I. (2016) Exploring the Protein Composition of the Plant Nuclear Envelope. Methods Mol Biol., 1411, 45-65.
  6. Shirakawa M, Ueda H, Shimada T, Hara-Nishimura I. (2016) FAMA: A Molecular Link between Stomata and Myrosin Cells. Trends Plant Sci., 21, 861-871.
  7. Shirakawa M, Ueda H, Shimada T, Hara-Nishimura I. (2016) Myrosin cells are differentiated directly from ground meristem cells and are developmentally independent of the vasculature in Arabidopsis leaves. Plant Signal. Behav., 11, e1150403.
  8. Hatsugai N, Hillmer R, Yamaoka S, Hara-Nishimura I, Katagiri F. (2016) The μ subunit of Arabidopsis daptor protein-2 is involved in effector-triggered immunity mediated by membrane-localized resistance proteins. Mol. Plant Microbe Interact., 29, 345-351.
  9. Tamura K, Kawabayashi T, Shikanai T, Hara-Nishimura I. (2016) Decreased expression of a gene caused by a T-DNA insertion in an adjacent gene in Arabidopsis. PLoS One, 11, e0147911.
  10. Ueda H, Yokota E, Kuwata K, Kutsuna N, Mano S, Shimada T, Tamura K, Stefano G, Fukao Y, Brandizzi F, Shimmen T, Nishimura M, Hara-Nishimura I. (2016) Phosphorylation of the c terminus of rhd3 has a critical role in homotypic er membrane fusion in Arabidopsis. Plant Physiol., 170, 867-880.
  11. Iwabuchi K, Hidema J, Tamura K, Takagi S, Hara-Nishimura I. (2016) Plant nuclei move to escape ultraviolet-induced dna damage and cell death. Plant Physiol., 170, 678-685.
  12. Fuji K, Shirakawa M, Shimono Y, Kunieda T, Fukao Y, Koumoto Y, Takahashi H, Hara-Nishimura I, Shimada T. (2016) The adaptor complex AP-4 regulates vacuolar protein sorting at the trans-golgi network by interacting with VACUOLAR SORTING RECEPTOR1. Plant Physiol., 170, 211-219.
  13. Ueda H, Tamura K, Hara-Nishimura I. (2015) Functions of plant-specific myosin XI: from intracellular motility to plant postures. Curr. Opin. Plant Biol., 28, 30-38.
  14. Okamoto K, Ueda H, Shimada T, Tamura K, Koumoto Y, Tasaka M, Morita MT, Hara-Nishimura I. (2016) An ABC transporter B family protein, ABCB19, is required for cytoplasmic streaming and gravitropism of the inflorescence stems. Plant Signal. Behav.,11, e1010947.
  15. Okamoto K, Ueda H, Shimada T, Tamura K, Kato M, Tasaka M, Morita MT, Hara-Nishimura I. (2015) An actin-myosin XI cytoskeleton regulates organ straightening adjust plant posture. Nat. Plants., 15031.
  16. Goto-Yamada S, Mano S, Yamada K, Oikawa K, Hosokawa Y, Hara-Nishimura I, Nishimura M. (2015) Dynamics of the light-dependent transition of plant peroxisomes. Plant Cell Physiol., 56, 1264-1271.
  17. Shimada TL, Hara-Nishimura I. (2015) Leaf oil bodies are subcellular factories producing antifungal oxylipins. Curr. Opin. Plant Biol., 25, 145-150.
  18. Hatsugai N, Yamada K, Goto-Yamada S, Hara-Nishimura I. (2015) Vacuolar processing enzyme in plant programmed cell death. Front. Plant Sci., 6, 234.
  19. Shimada TL, Takano Y, Hara-Nishimura I. (2015) Oil body-mediated defense against fungi: From tissues to ecology. Plant Signal. Behav., 10, e989036.
  20. Tamura K, Goto C, Hara-Nishimura I. (2015) Recent advances in understanding plant nuclear envelope proteins involved in nuclear morphology. J. Exp. Bot., 66, 1641-1647.
  21. Munch D, Teh OK, Malinovsky FG, Liu Q, Vetukuri RR, El Kasmi F, Brodersen P, Hara-Nishimura I, Dangl JL, Petersen M, Mundy J, Hofius D. (2015) Retromer contributes to immunity-associated cell death in Arabidopsis. Plant Cell, 27, 463-479.
  22. Teh OK, Hatsugai N, Tamura K, Fuji K, Tabata R, Yamaguchi K, Shingenobu S, Yamada M, Hasebe M, Sawa S, Shimada T, Hara-Nishimura I. (2015) BEACH-Domain Proteins Act Together in a Cascade to Mediate Vacuolar Protein Trafficking and Disease Resistance in Arabidopsis. Mol. Plant, 8, 389-398.
  23. Kawase T, Sugano SS, Shimada T, Hara-Nishimura I. (2015) A direction-selective local-thresholding method, DSLT, in combination with a dye-based method for automated three-dimensional segmentation of cells and airspaces in developing leaves. Plant J, 81, 357-366.
  24. Shirakawa M, Ueda H, Shimada T, Kohchi T, Hara-Nishimura I. (2015) Myrosin cell development is regulated by endocytosis machinery and PIN1 polarity in leaf primordia of Arabidopsis thaliana. Plant Cell, 26, 4448-4461.
  25. Larcher L, Hara-Nishimura I, Sternberg L. (2015) Effects of stomatal density and leaf water content on the 18 O enrichment of leaf water. New Phytol., 206, 141-151.
  26. Gott〓 M, Ghosh R, Bernard S, Nguema-Ona E, Vicr〓-Gibouin M, Hara-Nishimura I, Driouich A. (2015) Methyl jasmonate affects morphology, number and activity of endoplasmic reticulum bodies in Raphanus sativus root cells. Plant Cell Physiol., 56, 61-72.
  27. 田村謙太郎,西村いくこ.(2015) 高等植物の生存戦略を担う核―細胞質間分子輸送システム.生化学.87, 34-40.
  28. 田村謙太郎,西村いくこ.(2015) 植物の細胞核を駆動するミオシンXI-i複合体.化学と生物.53, 69-70.

2016 年度学位論文

博士論文

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