論文）KNOX転写因子によるブラシノステロイド異化酵素の発現制御

Genome-Wide Study of KNOX Regulatory Network Reveals Brassinosteroid Catabolic Genes Important for Shoot Meristem Function in Rice
Tsuda et al.  The Plant (2014) 26:3488-3500.
doi:10.1105/tpc.114.129122

knotted1-like homeobox（KNOX）転写因子は植物の茎頂分裂組織（SAM）の属性維持を担っており、複数の遺伝子をターゲットとしていることが知られている。米国 カリフォルニア大学バークレー校 植物遺伝子発現センターのHake らは、イネNKOXタンパク質のOryza sativa homeobox1（OSH1）の制御ネットワークの解析を行った。OSH1にグルココルチコイド受容体（GR）ドメインを付加した融合タンパク質（OSH1-GR）を過剰発現させたイネをデキサメタゾン（DEX）処理したところ、高濃度のDEX処理をしたイネでは複数のシュートが形成され、KNOX 過剰発現系統と類似した表現型を示した。中、低濃度のDEX処理をしたイネは、葉身のねじれ、短い葉鞘、葉身の直立といったブラシノステロイド（BR）の欠損もしくは非感受性の変異体と類似した表現型を示した。そこで、低濃度DEX処理をしたイネにブラシノライド（BL）を与えたところ、葉鞘が短くなる表現型が改善された。このことから、OSH1 の過剰発現による表現型変化の一部はBR経路が抑制されたために引き起こされていることが考えられる。また、ラミナジョイント試験において、DEX処理したOHS1 過剰発現系統は、BR応答性が低下しており、OSH1 はBRシグナル伝達を阻害するかBRの不活化を促進することによってBR経路を抑制していると考えられる。osh1 機能喪失変異体は、第二葉のラミナジョイントの角度が野生型よりも大きく、葉耳が外側に突出し、浸漬発芽した芽生えの鞘葉は野生型よりも長くなっており、このような表現型は野生型をBR処理した際に観察される表現型と類似していた。これらの結果から、OSH1 はBR経路を負に制御していることが考えられる。osh1 変異体は、低頻度（～2％）で葉身と葉鞘との境界領域や生長点と葉原基の境界が不明瞭となる形態異常を示した。ChIP-seqの結果、4662遺伝子がOSH1の直接のターゲット候補として見出され、OSH1は遺伝子の5'上流領域に優先的に結合していた。OSH1-GR を過剰発現させた植物体の若い葉をDEX処理すると1241遺伝子の発現に変化が見られ、このうち391遺伝子（31.5％）にOSH1が結合し、そのうち380遺伝子は発現量が増加、11遺伝子は発現量が減少した。よって、OSH1は転写活性化因子として機能していることが示唆される。ChIP-seqの結果を見ると、BRをC26ヒドロキシル化して不活性化するP450をコードするシロイヌナズナBAS1 のホモログが含まれていた。イネにはBAS1 ホモログがCYP734A2 、CYP734A4 、CYP734A5 、CYP734A6 の4つがあり、いずれの遺伝子もOSH1の直接のターゲットとなっていた。これらの遺伝子はOSH1-GR 発現個体をDEX処理すると発現量が増加し、osh1 変異体では野生型よりも発現量が減少していた。また、CYP734A を過剰発現させた個体は、葉身のねじれや短い葉鞘といったBR欠損の表現型を示し、OSH1 過剰発現個体と類似した形態を示した。CYP734A6 プロモーター制御下でGFPを発現させたところ、茎頂分裂組織、茎、若い葉原基が強い蛍光を示し、腋芽の分裂組織や若い葉でも蛍光が見られた。これらのCYP734A6 の発現部位はOSH1 の発現部位と大部分が重なっていた。したがって、OSH1は茎頂分裂組織においてBR不活性化酵素の発現を直接活性化していると考えられる。RNAiでCYP734A をノックダウンした個体はosh1 変異体と表現型が類似していた。イネCYP734A6 遺伝子のトウモロコシのオーソログと考えられるGRMZM2G138750 は、トウモロコシKNOTTED1 （KN1 ）遺伝子の機能獲得変異体Kn1-N の葉において発現量が増加していた。よって、KNOX転写因子によるBR不活性化酵素遺伝子の制御は単子葉植物において保存された制御機構であると考えられる。以上の結果から、KNOX転写因子によるブラシノステロイド量の局所的な制御は、茎頂分裂組織の属性維持において重要であると考えられる。