佐藤康研究室 研究概要 (2020.3 更新)
当研究室では、維管束植物の形態形成及び環境応答機構について研究を行っています。以下、研究内容について紹介をしていきます。
1. リグニン生成の制御機構に関する研究
リグニンは維管束植物の主要な細胞壁成分で、@道管・仮道管での水の輸送、A植物体の支持、B病傷害等のストレス耐性に重要な役割を果たしています。進化の過程で、藻類が、維管束植物として陸上に進出できた要因の一つは、リグニンの獲得にあったと考えられています。リグニンは、植物の形態形成に伴い木部等で生成されるほか、病傷害等のストレスによっても生成されます。私たちは、形態形成及び環境ストレスにより生成されるリグニンに注目し研究を進めています。
私たちは、リグニン生成の制御機構解明のため、モデル植物であるシロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana)を用いています。シロイヌナズナは全ゲノム配列が解読され、遺伝子導入が可能で、研究室内で容易に扱うことができる等の利点があります。
@lig変異体を用いた研究
lignescens(lig)変異体は28℃条件で根の著しい成長阻害とリグニンの異常蓄積を起こします。このlig変異体をリグニン誘導機構の解明のために用いています。lig変異体では、UDP-N-アセチルグルコサミン(UDP-GlcNAc)の生合成に関わるグルコサミン-6リン酸Nアセチルトランスフェラーゼ1(GNA1)遺伝子の変異により、28℃ではUDP-GlcNAc合成が阻害されることが示されました。UDP-GlcNAcは、タンパク質の糖鎖修飾に必須であり、lig変異体では糖鎖修飾阻害が示されました。さらに、lig変異体では、糖鎖修飾阻害により小胞体ストレス応答(Unfolded protein response, UPR)が起こることが示されました(Nozaki et al. 2012)。現在、リグニン誘導と小胞体ストレスとの関わりについて、さらに詳細な解析を進めています。
Aリグニン合成関連酵素の遺伝子の研究
リグニン合成にはペルオキシダーゼが関わっていると考えられていますが、植物には50以上ものペルオキシダーゼ遺伝子が存在しており、どのペルオキシダーゼがリグニン合成に関わっているのか充分に明らかになっていません。私達は、ヒャクニチソウの木部形成培養系において管状要素（道管・仮道管細胞）分化特異的に発現するペルオキシダーゼ遺伝子ZPO-Cを単離し(Sato et al. 2006)、さらに、シロイヌナズナの形態形成過程でのリグニン合成と関連した3つのペルオキシダーゼ遺伝子AtPrx47, 64, 66を示しました。これらのペルオキシダーゼ遺伝子のプロモーター領域にGUS遺伝子をつなぎシロイヌナズナに導入し発現部位を解析したところ、AtPrx66は分化過程の道管で、AtPrx47は木部柔細胞で、AtPrx64は花茎の維管束間繊維等での発現が示されました(Tokunaga et al. 2009)。これらのリグニン合成関連酵素の遺伝子について、さらに詳細な解析を進めています。
B傷害リグニン生成機構の解析
植物体が切断等の傷害ストレスを受けると、切断部位の特に維管束に傷害リグニンの蓄積が起こります。この傷害リグニン誘導機構について、各種の植物ホルモンやストレス応答に関連したシロイヌナズナ突然変異体を用い解析を進めています。また、ImageJのマクロ(LigninJ)を用いストレス応答リグニン化の程度を比較、解析しています(Nakamura et al. 2020)。
２．植物におけるUDP-GlcNAc生合成の生理的意義の解明
lig変異体の研究から植物におけるUDP-GlcNAc生合成の重要性が示されました。UDP-GlcNAcは、タンパク質の糖鎖修飾以外にも、タンパク質のリン酸化と競合するO-GlcNAc修飾や、タンパク質を細胞膜につなぎとめるGPIアンカー形成にも必要です。一方、UDP-GlcNAcの欠乏が植物にどのような影響を及ぼすのかは、充分には明らかになっていません。私達はUDP-GlcNAc生合成の生理的意義解明の一環として、GlcNAcからUDP-GlcNAcが生成される過程や、その生理的意義の解明を進めています (Furo et al. 2015)。
３．マツバイを用いた重金属超集積機構の解明
カヤツリグサ科ハリイ属のマツバイは、様々な重金属を著しく集積する植物として注目されています。私達の研究室では、マツバイの重金属超集積機構解明のために、無菌培養系を用いたマツバイの重金属超集積機構の解析を、理学部地球科学科の榊原研究室との共同研究で進めています(Sato et al. 2017)。
４．紫外線が様々なシソに与える影響の解明
環境中ストレスとして太陽光中にも含まれている紫外線が植物に与える影響について、シソを用い研究を進めています。また、ImageJのマクロ(LigninJ)を用いストレス応答リグニン化の程度を比較、解析しています(Nakamura et al. 2020)。
参考文献
Furo K, Nozaki M, Murashige H, Sato Y (2015) Identification of an N-acetylglucosamine kinase essential for UDP-N-acetylglucosamine salvage synthesis in Arabidopsis. FEBS Letters 589: 3258-3262.
Nakamura M, Kamehama T, Sato Y (2020) Image analysis of stress-induced lignin deposition in Arabidopsis thaliana using the macro program LigninJ for ImageJ software. Plant Biotech. 37: 105-109. (https://doi.org/10.5511/plantbiotechnology.20.0110a)
Nozaki M, Sugiyama M, Duan J, Uematsu H, Genda T, Sato Y (M. N. and M. S. contributed equally to this work.) (2012) A missense mutation in the glucosamine-6-phosphate N-acetyltransferase-encoding gene causes temperature-dependent growth defects and ectopic lignin deposition in Arabidopsis. Plant Cell 24: 3366-3379.
Sato Y, Demura T, Yamawaki K, Inoue Y, Sato S, Sugiyama M, Fukuda H (2006) Isolation and characterization of a novel peroxidase gene ZPO-C of which expression and function are closely associated with lignification during tracheary element differentiation. Plant Cell Physiol. 47: 493-503.
Sato Y, Goto S, Teraoka S, Takagaki K, Takehara A, Sano S, Sakakibara M (2017) Establishment of an aseptic culture system and analysis of the effective growth conditions for Eleocharis acicularis ramets for use in phytoremediation. Environments 4: 40 (p17).
Tokunaga N, Kaneta T, Sato S, Sato Y (2009) Analysis of expression profiles of three peroxidase genes associated with lignification in Arabidopsis thaliana. Physiol. Plant. 136: 237-249.