【研究分野】植物分子・生理科学

【研究領域課題番号】16K07393 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

葉緑体 / クロロフィル / 転写因子 / 核コード光合成関連遺伝子 / 共発現 / 光合成 / 葉緑体形成 / 発現制御

【研究成果の概要】

本研究では、葉緑体分化において、光合成遺伝子の協調的な転写調節に関わる転写制御因子群による光合成装置形成のオン・オフ制御の分子メカニズムの解明を目的として解析を行った。その結果、GARP型転写因子GLKとGATA型転写因子GNC/CGAが異なる標的遺伝子の発現を活性化することで、光化学系の構築に異なる役割を果たすことを明らかにした。さらに新たなGLK結合配列を予測することに成功した。

【研究の社会的意義】

本研究は、葉緑体分化および光合成装置形成の制御機構を明らかにする上で重要な学術的意義を持つだけでなく、植物に新たな光合成組織を創出する技術にも繋がり、将来における農学的な応用にも発展させることが期待できる。実際、葉緑体分化を促進させた植物体では、その光合成能力が向上するだけでなく、病虫害に対する抵抗性が高まることが最近明らかとなってきており、その応用価値は非常に高い。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)

【研究分野】植物分子生物・生理学

【研究領域課題番号】24570042 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

葉緑体分化 / 転写因子 / 転写制御 / 光合成 / 共発現 / 植物ホルモン / 光シグナル / 葉緑体 / クロロフィル / 光化学系 / シロイヌナズナ / 根 / サイトカイニン

【研究成果の概要】

本研究で可塑的な葉緑体分化の分子機構の解明に取り組んだ。地上部から切り離された根で、オーキシンとサイトカイニンにより緑化が誘導されるを見出した。そのメカニズムとして、地上部を喪失した根ではオーキシンによる抑制が減少し、さらに傷害部におけるサイトカイニンシグナルが活性化され、緑化が誘導されることを明らかにした。
この葉緑体分化は光合成関連遺伝子群の協調的な転写活性化を伴っており、転写因子のHY5とGLKが、相互作用しながら光合成関連遺伝子の発現を活性化させることを明らかにした。さらに、GLKを過剰発現した根では葉緑体の分化が強く誘導され、野生株と比べ高い光合成活性を有することを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2012-04-01 - 2016-03-31

【配分額】5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円)

【研究分野】植物分子生物・生理学

【研究領域課題番号】21570035 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

クロロフィル / Mg-キラターゼ / 葉緑体 / Genome-uncoupled / 遺伝子 / Genome uncoupled / genomu uncoupled / プラスチド / プラスチドシグナル / ポルフィリン / genome uncoupled / 組換えタンパク質

【研究成果の概要】

Mg-キラターゼはクロロフィル合成の第1段階を触媒する酵素で、CHLI,CHLD,CHLHの3つのサブユニットから構成される。植物において、核コードの光合成遺伝子は葉緑体の機能とリンクしていることが知られている。しかし葉緑体機能が失われても、核コードの葉緑体遺伝子の発現が抑制されないgun(genome uncoupled)変異体が見出され、その原因遺伝子の多くがCHLHのミスセンス変異であることが明らかとなってきた。従って、Mg-キラターゼはクロロフィル合成系の酵素としてだけでなく、葉緑体から核への情報伝達(レトログレードシグナル)にも関与することが明らかとなってきた。本研究では、Mg-キラターゼ活性の再構成系を構築し、解析を行った。その結果、gun表現型はMg-キラターゼ活性の低下が主要な原因と考えられた。現在のところ、Mg-キラターゼ活性の低下がなぜCHLHタンパク質の蓄積を引き起こすのか、その原因は明らかではない。今後、Mg-キラターゼ複合体の機能や存在状態を含めた解析が重要になると考えられる。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)

【研究分野】植物生理・分子

【研究領域課題番号】16570030 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

クロロフィル / 葉緑体 / プロトクロロフィリド / 光環境適応 / プロラメラボディ

【研究成果の概要】

被子植物のクロロフィル生合成系の最終段階は、プロトクロロフィリド還元酵素(POR)により触媒されるプロトクロロフィリド(Pchlide)の光還元反応である。葉緑体の形成過程において、PORは光エネルギー捕集と光酸化防御のバランスを巧妙に調節しながらクロロフィルの生合成を行っているが、その詳細な機構は未だ明らかではない。本研究は、PORの生理機能について分子遺伝学的・分子生物学的解析を行い、葉緑体形成における光エネルギー捕集および光酸化防御に果たすPORの役割を解明することが目的である。本研究では、以下に述べる研究を行い、成果を得た。
光酸化防御におけるシロイヌナズナPORCの機能解析について解析を行った。異なる光強度でのPORCの発現について調べた所、強光下でのPORCのmRNAおよびタンパク質の発現の誘導が認められた。そこでPORC欠損株に対して異なる光強度での光照射実験を行った所、POR欠損株は野生株に対して有意に低い、クロロフィル蓄積量を示した。この結果から、PORCがシロイヌナズナの光酸化防御に重要であることを明らかにした。
また、植物間におけるPORの遺伝子族構成の差異は、POR遺伝子の発現制御機構に基づくものと考えられる。実際、単一のPOR遺伝子しか持たないキュウリではPOR遺伝子の発現は光および植物ホルモンであるサイトカイニンにより転写活性の誘導を受けることを見出している。そこで、サイトカイニンによるキュウリPOR遺伝子発現の誘導機構を明らかにするため、キュウリPOR遺伝子のプロモーター解析を行った。その結果、プロモーター領域にサイトカイニン応答性のDNA結合タンパク質が結合する領域が存在すること、また転写活性化因子として機能することを明らかにした。さらにプロモーター領域の欠損解析や変異導入により、このサイトカイニン応答性転写因子が結合する新規なシスエレメントを同定することに成功した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2004 - 2005

【配分額】3,600千円 (直接経費: 3,600千円)

【研究分野】植物生理学

【研究領域課題番号】04454012 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

葉 / 老化 / 光制御 / タンパク質分解 / クロロフィル / 光合成 / 葉緑体 / イネ

【研究成果の概要】

1.葉の老化に伴ってタンパク質が分解され、葉の窒素含量が低下する。通常の植物ではタンパク質分解に対する葉齢と被陰の影響を分離できない。そこで、横に這わせたつる植物(セイヨウアサガオ)を用い、葉を同一光条件で育てることにより、葉齢に伴って窒素含量は低下すること、しかし、葉の置かれた光環境がより強い制御作用を持ち、光強度の低下とともに葉の窒素含量が低下することを見出した。
2.群落状に生育させたイネを用い、さらに光の制御作用を詳しく解析した。上部の葉により被陰された古い葉は、強い光強度下で測定した最大光合成活性は次第に低下するものの、光を吸収し、利用する効率は高く維持されていることを見出した。したがって、葉は暗くなった光環境に順化しながら光合成を行なっていると考えられる。さらに、この光合成系の順化的な変化は、被陰によって暗くなる光環境自身が信号となって起きる現象であることが見出された。光の吸収、利用に関与する集光性クロロフィルタンパク質や系Iと系IIの光化学反応中心の分解は非常に弱い光で抑えられるので、被陰されてもかなり安定に存在する。一方、光合成の暗過程に関与するRuBPカルボキシラーゼやATPaseなどの分解抑制には強光が必要であり、このため、少し暗くなるとその分解が進行する。そして、前者は主としてフィトクロム系により制御されており、後者はフィトクロム系、光合成系の他に青色効果も関与する非常に複雑な反応系で調節されていることが示された。
3.上記の結果と関連して老化の進行に伴い、葉緑体の数も大きさも供に減少し、このため葉緑体の量が大きく減少することが示された。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1992

【配分額】6,600千円 (直接経費: 6,600千円)