瀬尾 研究室
Seo Lab.
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研究内容
Projects
◾️植物ホルモンは、自身が感知した様々な外的刺激を、成長、形態形成、分化といったアウトプットに変換するためのシグナル因子として重要な働きをします。そのため、陸上を自由に動き回ることのできない植物が、過酷な環境の中でどの様に生き延びているのかを理解するためには、植物ホルモンの作用メカニズムを明らかにすることが重要になります。
Plant hormones are signaling molecules that mediate plant responses to various environmental stimuli. Therefore, to understand how plants survive under harsh environments, it is important to reveal the mechanisms underlying the functions of plant hormones.
◾️私たちが研究対象の一つとしているのがアブシシン酸（abscisic acid; ABA）と呼ばれる植物ホルモンです。ABAは植物が乾燥を感じると生体内での合成量が増え、気孔の閉鎖を誘導することで水分の損失を抑制したり、水不足に対する抵抗性の獲得に必要な遺伝子の発現を調節したりします。ABAは種子の休眠性の獲得や、生育に不適切な環境での発芽を抑制する働きも持っています。
One of our main targets is abscisic acid (ABA). In response to water deficit, plants increase the rate of ABA biosynthesis, and induce stomatal closure and the expression of stress-resistance genes. ABA also play roles in inducing seed dormancy and preventing seed germination under unfavorable conditions.
◾️これまでにABAも含めて多くの植物ホルモンについて、生合成、分解、受容、情報伝達に関与する主要な因子が同定され、それらを介した詳細な作用メカニズムが明らかになってきました。しかし、動物のホルモンの場合とは異なり、植物ホルモンが生体内をどの様に輸送されるのかについては、一部の例を除いてあまり詳しいことはわかっていませんでした。
過去の研究から、ABAは主に葉の維管束組織で作られ、孔辺細胞まで運ばれて気孔の閉鎖を誘導すると予想されていましが、その過程を積極的に制御するメカニズムの有無は不明でした。こうした中、私たちはABA受容体とPP2Cタンパク質ホスファターゼがリガンド（ABA）依存的に相互作用する性質に着目し、酵母two-hybrid系を用いてABAを細胞内に取り込む活性を持つタンパク質を網羅的にスクリーニングする手法を確立しました（Kanno et al., 2012, PNAS）。
Many factors involved in the biosynthesis, catabolism, perception and signal transduction of plant hormones, including ABA, have been identified so far. However, it has been unclear for a long time how the transport of plant hormones is regulated, except for the case of auxin.
Previous studies suggested that ABA is actively synthesized in leaf vascular tissues and then transported toward the guard cells to close stomata in response to drought. To identify transporters involved in this process, we established a method to functionally screen for proteins capable of mediating ABA uptake into the guard cells using the yeast two-hybrid system with the ABA receptor and PP2C protein phosphatase (Kanno et al., 2012, PNAS).
◾️このアプローチにより、過去の研究で硝酸イオンもしくはジペプチドの輸送体としての機能が報告されていたタンパク質を含むNITRATE TRANPORTER 1/PEPTIDE TRANSPORTER FAMIRY（NPF）と呼ばれるシロイヌナズナの輸送体ファミリーの一部が、植物体内でABAの輸送に関与していることを明らかにしました（Kanno et al., 2012, PNAS; Shimizu et al., 2021, Genes; Shimizu et al., 2022, Plant Signal. Behav.）。
Through this approach, we finally revealed that some members of Arabidopsis NPF proteins, which were originally characterized as nitrate or peptide transporters, function as ABA transporters invivo（Kanno et al., 2012, PNAS; Shimizu et al., 2021, Genes; Shimizu et al., 2022, Plant Signal. Behav.）.
◾️NPF4.6の機能を失った変異体（npf4.6）とABA生合成の欠陥により野生型に比べて内生ABA量が低下したaao3変異体を掛け合わせた二重変異体（npf4.6 aao3）は、aao3変異体に比べて葉の表面温度が低下します。このことから、NPF4.6は気孔の閉鎖を促進する因子であると考えられます。一方で、NPF5.1の機能を失った変異体（npf5.1）は野生型に比べて葉の表面温度が上昇します。このことは、NPF5.1が気孔の閉鎖を抑制する因子であるということを示唆しています。これら2つのNPF遺伝子・タンパク質の発現部位の解析から、NPF4.6は孔辺細胞へのABAの取り込みを介して気孔の閉鎖を促進する因子である一方で、NPF5.1は維管束組織や葉肉細胞におけるABAの取り込みを介して気孔の閉鎖を抑制する因子であると私たちは考えています。
Introduction of a npf4.6 mutation into the ABA-deficient aao3 mutant background reduced leaf surface temperature. On the other hand, npf5.1 mutants has higher leaf surface temperature compared to the wild type. These observations indicate that NPF4.6 and NPF5.1 positively and negatively regulate stomatal closure, respectively. Based on the expression patterns, we speculate that NPF4.6 facilitate ABA uptake into the guard cells to promote stomatal closure, whereas NPF5.1 mediate ABA uptake into the leaf mesophyll cells and vascular tissues to reduce the amount of ABA that can be transported into the guard cells.
◾️現在までに、NPFはABA以外にもジベレリン、ジャスモン酸、オーキシンといった植物ホルモンや、グルコシノレート、アルカロイド、ニコチアナミンなどの二次代謝産物の輸送体としても機能することが多くの研究によって明らかになってきています。私たちは、この様に多様な機能を持つNPFの機能解析を今後さらに進めることによって、様々な化合物の輸送を介した植物の環境応答メカニズムを明らかにしていきたいと考えています。
Recent studies have shown that NPF proteins transport not only ABA but also other hormones (e.g. gibberellin, jasmonates, auxin) and secondary metabolites (e.g. glucosinolates, alkaloids, nicotianamine). We will further identify substrates for the multifunctional NPF proteins and elucidate the functions of the transporters in terms of plant environmental responses.