論文）ポリアミンによるイチゴ果実成熟制御

Polyamines Regulate Strawberry Fruit Ripening by Abscisic Acid, Auxin, and Ethylene
Guo et al. Plant Physiology (2018) 177:339-351.
doi:10.1104/pp.18.00245

ポリアミン（PA）は、植物の成長や老化の制御に関与していることが知られている。過去にPAがイチゴ果実の成熟に関与していることが報告されているが、その機構については明らかとなっていない。中国 北京農学院のShen らは、イチゴ果実の成熟を7つのステージ［small green (SG)、large green (LG)、degreening (DG)、white (Wt)、initial red (IR)、partial red (PR)、full red (FR)］に分け、各ステージでのポリアミン類［プトレシン（Put)、スペルミジン（Spd)、スペルミン（Spm)］の含量を調査した。その結果、Put含量はSGからFRにステージが進むに従って減少し、FR果実で最も低くなった。Spd含量はSGからPRまでは低いが、FR果実でわずかに増加していた。Spm含量は緑色果実の間は低いが、Wtから増加が始まり、FR果実で最も高くなった。よって、Spmはイチゴ果実の成熟に関連していることが示唆される。イチゴ果実の成熟に対するPAの役割を調査するために、DG果実を各PAもしくはSpd、Spmの生合成を律速するSAMデカルボキシラーゼ（SAMDC）の阻害剤であるメチルグリオキサールビス(グアニルヒドラゾン)（MGBG）を含む溶液に浸漬して果実の成熟度合いを調査した。その結果、SpdとSpmの添加は果実の赤色化（アントシアニン蓄積）を促進し、MGBGとPutの添加は阻害することが判った。また、Spm、Spdの添加は内生のSpm、Spdの蓄積を促進し、Put、MGBGの添加は内生Put量を増加させるが、内生Spm、Spd量の蓄積を阻害していた。これらの結果から、SpmとSpdは果実の成熟を促進し、Putは成熟を阻害することが示唆される。PAによる果実の成熟制御の際の成熟に関連する植物ホルモンの変化を見た。その結果、エチレン放出はSpm、Put、MGBGの添加によって促進され、Spdによって阻害、アブシジン酸（ABA）の蓄積はSpmによって促進され、Spd、Put、MGBGは阻害、オーキシン（IAA）の蓄積はSpm、Put、MGBGによって促進され、Spdによって阻害された。よって、イチゴ果実赤色化におけるPAの作用はABA、エチレン、IAAが関与していることが示唆される。LG、Wt、IR、PRの4つのステージ果実についてRNA-seq解析を行ない、各ステージ間（LG-Wt、Wt-IR、IR-PR）で発現量変化する遺伝子（DEGs）を調査した。その結果、LGからPRへ移行するにつれてDEG数が減少していき、LGとWtの間は発現量が減少する遺伝子が多く、WtとIRの間は発現量が増加する遺伝子が多くなっていた。したがって、代謝変化は緑-白-赤の間で起こっており、白い果実は特徴的なステージにあることが示唆される。果実成熟過程のDEGsの中にはIAA、ABA、エチレンのシグナル伝達にに関連する遺伝子が見られ、これらのホルモンはイチゴ果実の成熟において重要であることが示唆される。Spd、Spm生合成の律速酵素であるSAMDCをコードするFaSAMDC 遺伝子は、LG果実で発現量が高く、果実が白色化する際に減少し、赤色化の間に急速に増加した。RNAiでFaSAMDC を発現抑制させた果実は、成熟の程度が果実内でキメラ状になり、FaSAMDC を過剰発現させたOE果実は色が濃い赤色になった。よって、FaSAMDCは果実の成熟に関与していることが示唆される。対照と比較して、FaSAMDC OE果実はSpm、Spdの含量が高く、RNAi果実は低くなっていた。しかし、Put含量はOE果実で低く、RNAi果実で高くなっていた。エチレン放出量はOE果実、RNAi果実とも対照よりも減少しており、アントシアニン、ABA、可溶性糖類の含量はOE果実で増加し、RNAi果実で減少していた。また、PA生合成や果実成熟に関連する遺伝子の発現量もOE果実で高く、RNAi果実で低くなっていた。以上の結果から、ポリアミン、特にスペルミンはイチゴ果実の成熟にとって重要であり、SAMデカルボキシラーゼは果実の成熟を正に制御していることが示唆される。

植物観察）箱根

一ヶ月ぶりに箱根へバイケイソウの観察に行ってきました。この時期になると花成個体は蕾が見えるようになります。箱根では昨年かなり多くの個体が花成したので、今年の花成個体数はガクッと減るだろうと思っていたのですが、意外にも結構の数の花成個体が見られました。現在の調査地は、観察を始めてまだ今年で3年目なので、開花年とそれ以外の年でどのくらい花成個体数の差があるのかわかりませんが、集団によっては昨年よりも花成個体が増加していました。

今年の箱根は花成個体数が少ないのではないかと思っていたのですが、そこそこの数の個体が花成していました

 

花成した個体は蕾が見えてくるようになりました

 

バイケイソウハバチ幼虫による食痕も見られるようになってきました

論文）エチレンは表皮を通して成長を制御している

The plant hormone ethylene restricts Arabidopsis growth via the epidermis
Vaseva et al. PNAS (2018) 115:E4130-E4139.
doi:10.1073/pnas.1717649115

エチレンは、植物の成長を制御しており、細胞伸長を制限することで栄養成長を阻害している。しかしながら、エチレンによる成長制御は全ての植物組織で見られるのか、特定の細胞に限定されるのかは明らかではない。ベルギー ゲント大学のVan Der Straeten らは、シロイヌナズナのエチレンシグナル伝達経路の主要な因子であるETHYLENE INSENSITIVE 3（EIN3）とETHYLENE INSENSITIVE LIKE 1（EIL1）をターゲットとしているユビキチンE3リガーゼのEIN3 BINDING F-BOX（EBF1）およびEBF2を根の細胞型特異的プロモーターで発現させてEIN3、EIL1をプロテアソーム系で分解することで細胞型特異的にエチレンシグナルをブロックし、根の表現型を観察した。その結果、EBF1 を側部根冠（LRC）と表皮で発現させることでエチレン前駆体ACC添加条件で対照よりも根が伸長することを見出し、これはエチレンによる成熟細胞の伸長阻害が抑制されていることによるものであることを明らかにした。また、葉の表皮でEBF2 を発現させた形質転換体は、エチレン感受性が低下し、ACC処理条件でロゼット葉が対照よりも大きくなった。このロゼット葉の成長の違いも表皮細胞の拡張の程度が異なることによって生じていた。CONSTITUTIVE TRIPLE RESPONSE1の機能喪失変異体ctr1 は、ACCやエチレンの存在に関係なく、矮化し、根が短くなり、根毛が異所的に形成される。ctr1 変異体でEBF2 をシュートと根の表皮特異的に発現させたところ、変異体の表現型が回復した。また、EBF2 を根の表皮特異的に発現させると、根の表現型は回復したが、シュートの表現型は回復しなかった。エチレンはオーキシン生合成酵素遺伝子の発現を誘導することが知られている。野生型ではACC処理と同時にオーキシン生合成阻害剤のキヌレニン（Kyn）を添加することで、ACC処理による根の伸長阻害が回復するが、ein2-1 変異体や根の表皮特異的にEBF2 を発現させた形質転換体ではACC処理とACC+Kyn処理で根の伸長に差異は見られなかった。よって、ACC処理による表皮でのオーキシン量の増加が根の伸長阻害と関連していると考えられる。また、EBF2 を発現させた細胞ではオーキシンに対する応答性が見られなくなり、ACC処理によるオーキシントランスポーター（AUX1 、PIN2 ）の発現量の増加も見られなくなった。よって、エチレンによる成長阻害は、表皮での局所的なオーキシン生合成や輸送の制御によってなされていることが示唆される。以上の結果から、表皮はエチレンによる成長制御作用の主要な部位であると考えられる。

論文）イネの根のエチレン応答を制御するE3ユビキチンリガーゼ

E3 ubiquitin ligase SOR1 regulates ethylene response in rice root by modulating stability of Aux/IAA protein
Chen et al. PNAS (2018) 115:4513-4518.
doi:10.1073/pnas.1719387115

中国科学院 遺伝・発育生物学研究所のZhang らは、エチレン存在下で根の成長に異常の見られるイネmao hu zi （mhz ：中国語で「猫のひげ」の意味）変異体を複数単離し、今回、mhz2 変異体について詳細な解析を行なった。mhz2 変異体の幼苗は、エチレンによる根の成長阻害が見られず、重力に対する応答性も低下し、水田で育成した変異体は根が土の表面を伸長した。マップベースクローニングの結果、MHZ2 遺伝子はSOIL-SURFACE ROOTING 1 （SOR1 ）と同一であることが判明し、mhz2 はsor1-2 と改名した。SOR1 （Os04g01160）は植物特異的RING-typeタンパク質をコードしており、核局在シグナル（NLS）、RINGドメイン、von Willebrand factor type A（VWA）ドメインを含んでいる。SOR1タンパク質は他の植物種にも見られ、シロイヌナズナでオーキシンに応答して根の重力屈性を制御しているE3ユビキチンリガーゼWAV3と類似していた。SOR1 の変異は、OsEIN2 を過剰発現個体幼苗の根が短くなる表現型を抑制することから、SOR1 遺伝子はOsEIN2 の下流で作用して根の成長を制御していると考えられる。SOR1タンパク質はE3ユビキチンリガーゼ活性を有しており、この活性はエチレンによる根の成長阻害に関与していた。シロイヌナズナでは、オーキシン機能に関与するタンパク質の変異体がエチレン応答性の欠失した表現型を示すことが知られている。そこで、幼苗にオーキシン生合成阻害剤であるキヌレニンを与えたところ、エチレンによる根の成長阻害が抑制され、この抑制はオーキシンアナログのナフタレン酢酸（NAA）を同時に添加することで解消された。よって、エチレンによる根の成長阻害にオーキシンが関与していることが示唆される。オーキシン受容体をコードするOsTIR1/AFB2 の発現をMiR393a を過剰発現させることによって減少させた形質転換体は、エチレン非感受性となった。また、オーキシン受容体とAux/IAAタンパク質との相互作用をブロックする阻害剤を添加することによってもエチレンによる根の成長阻害は抑制された。これらの結果から、イネの根のエチレンによる成長阻害はオーキシン経路が関与していることが示唆される。そこで、sor1-2 変異体のオーキシンの量や感受性について調査した。sor1-2 変異体の根のオーキシン蓄積量やオーキシントランスポーター遺伝子の発現量は野生型と同等であり、NAAを添加してもエチレンや重力に対する応答性に変化は見られなかった。よって、sor1 変異体は根のオーキシン応答性が変化しているものと思われる。Aux/IAA 遺伝子のうち、OsIAA26 、OsIAA9 、OsIAA20 は、オーキシンとエチレン応答性があることが知られているが、sor1-2 変異体ではエチレンによる発現誘導が失われ、オーキシンによる発現誘導は野生型の半分程度になっていた。野生型植物へのキヌレニンの添加や、OsTIR1/AFB2 の発現抑制は、OsIAA26 、OsIAA9 、OsIAA20 のエチレンによる発現誘導を抑制した。根端部のトランスクリプトーム解析から、SOR1はOsEIN2を介してエチレンによって発現誘導される遺伝子のうちの77％を制御していることが判った。また、SOR1はオーキシン誘導遺伝子の70％の発現を制御しており、このうちの56％はエチレン応答遺伝子であった。このことから、SOR1は根でのエチレン応答に必要であり、オーキシン応答についても部分的に関与していることが推測される。SOR1はオーキシンの有無に関係なくOsIAA26、OsIAA9と相互作用をし、さらにOsIAA26はSOR1によってユビキチン化され、分解が促進された。一方、オーキシン存在下で、オーキシン受容体OsTIR1はOsIAA20と相互作用をし、オーキシン受容体OsAFB2はOsIAA9、OsIAA20と相互作用をした。OsIAA9はSOR1のRINGドメインと相互作用をすることでSOR1のE3ユビキチンリガーゼ活性を阻害し、SOR1によるOsIAA26のユビキチン化を妨げていることが判った。OsIAA9はOsTIR1/AFB2を介して分解されるが、SOR1もこの分解を促進する作用があることがわかった。OsIAA26 およびOsIAA9 を過剰発現させたイネ幼苗は、根のエチレン感受性が低下していた。したがって、OsIAA26とOsIAA9は根の成長におけるエチレンの作用を低下させる機能があことが推測される。以上の結果から、イネのE3ユビキチンリガーゼSOR1はAux/IAAタンパク質の安定性を制御することで根のエチレン応答性を制御していると考えられる。

論文）根の光屈性にオーキシン不均等分布は関与しない

Asymmetric Auxin Distribution is Not Required to Establish Root Phototropism in Arabidopsis
Kimura et al. Plant & Cell Physiology (2018) 59:828-840.
doi:10.1093/pcp/pcy018

シロイヌナズナを含む多くの植物の根は、負の光屈性を示す。根の重力屈性に関しては、コロドニー・ウェント説に基づいたオーキシンの不均等分布による屈曲が支持されているが、根の光屈性におけるオーキシンの作用については明らかとなっていない。新潟大学の酒井らは、オーキシン応答レポーター遺伝子DR5rev::GFP を導入したシロイヌナズナ黄化芽生えの根に横から青色光を照射して8時間後にGFP蛍光の分布を見た。その結果、光照射した側にオーキシン蓄積することが示された。次に、オーキシンバイオセンサーDII-VENUSを用いて同様の試験を行なった。根の屈曲は青色光照射2時間後には見られるが、この時点でDII-VENUSシグナルの強度は陰側と照射側で同等であり、照射側でのシグナル減少は4時間後から検出され、不均等分布は8時間後まで見られた。よって、光屈性刺激は根の照射側でのオーキシン蓄積をもたらすことが示唆される。根の重量応答の際にはオーキシンは下側に蓄積して細胞伸長を抑制している。しかしながら、光屈性の場合は照射側でDII-VENUSシグナルの減少（オーキシンの蓄積）が見られた。このことから、光屈性によって生じた根の屈曲が重力刺激となり、下側（屈曲した側）にオーキシンが蓄積したのではないかと考えた。もしそうであるならば、重力非感受性変異体の根では光刺激に応答したオーキシンの不均等分布は起こらないはずである。そこで、重力を感知する平衡石として機能するデンプン蓄積アミロプラストを形成しないphosphoglucomutase-1 （pgm-1 ）変異体の根での光刺激後のDII-VENUSシグナルを見たところ、不均等分布が見られなかった。したがって、光屈曲の程度とDII-VENUSシグナルの勾配に相関はないことが示唆され、光刺激によって屈曲した根の下側でのオーキシン蓄積は重力屈性によって生じたものであると考えられる。次に、オーキシンの不均等分布に関与しているPINオーキシントランスポーターの機能喪失変異体について光刺激に対する応答性を見たところ、いずれのpin 変異体の根も正常な光屈性を示し、むしろ重力屈性が抑制されることで光屈性が強まった。また、別のオーキシントランスポーターであるAUX1やABCB19の機能喪失変異体においても根の光屈性は見られた。オーキシン輸送阻害剤を処理することによっても根の光屈性は強まり、重力屈性は抑制された。これらの結果から、オーキシントランスポーターによるオーキシンの不均等分布はシロイヌナズナ根の光屈性に関与しておらず、コロドニー・ウェント説は根の光屈性には当てはまらないものと思われる。そこで、オーキシン自身が根の光屈性に関与しているかを調査した。オーキシン生合成変異体のyucca3 yucca5 yucca7 yucca8 yucca9 五重変異体（yucQ ）の根は光屈性が強まり、重力屈性が弱まった。また、オーキシン生合成阻害剤yucasinの処理によって根の重力屈性は阻害され、光屈性は強まった。したがって、オーキシンは根の重力屈性にとっては重要だが光屈性には関与していないことが示唆される。過去知見においてオーキシン応答因子NPH4/ARF7が胚軸と根の光屈性に関与していることが報告されている。そこで、根の重力屈性に冗長的作用しているARF7 とARF19 の機能喪失変異体arf7 arf19 二重変異体について調査したところ、光屈性の応答性が野生型よりも遅くなっていることがわかった。ARF7 とARF19 の単独変異体ではそのような光屈性異常は見られないことから、ARF7とARF19は冗長的に根の光屈性に関与していることが示唆される。次にARFの活性に関与しているAux/IAAタンパク質について調査した。シロイヌナズナには29のAux/IAA 遺伝子があり、これらのうちの幾つかの優性変異体（iaa1/axr5-1 、iaa14/slr-1 、iaa17/axr3-3 、iaa18/crane-2 、iaa19/msg2-1 ）について光屈性を調査したところ、iaa17 変異体以外は光屈性が野生型よりも強まった。iaa17/axr3-3 変異体は根の屈曲に異常が見られ、IAA17 プロモーター制御下でドミナント型iaa17 遺伝子（miaa17 ）を発現させた形質転換体は、根の光屈性異常に加えて、根の重力屈性や胚軸の光屈性にも異常が見られ、オーキシン処理による根の成長阻害が見られなくなった。これらの結果から、IAA17はシロイヌナズナの根の光屈性と重力屈性を抑制する効果があると考えられる。オーキシン受容体TIR/AFBに結合してオーキシン作用を妨げるPEO-IAAを処理すると、根の重力屈性は抑制されるが光屈性は強まった。シロイヌナズナの6つのTIR/AFB 遺伝子について、それぞれの変異体の光屈性を見たところ、tir1 変異体では応答性が低下し、afb1 変異体では応答性が高まった。よって、根の光屈性においてTIR1は正に作用し、AFB1は負に作用すると考えられる。以上の結果から、シロイヌナズナの根の光屈性はオーキシン不均等分布とは関係のない未知の機構によって誘導されており、根の光屈性にコロドニー・ウェント説は当てはまらないものと思われる。