綿引雅昭 准教授 / WATAHIKI, Masaaki

知識はごはんです

綿引雅昭 准教授 /  WATAHIKI, Masaaki

研究分野・テーマ・内容

研究分野 植物生理学
研究テーマ 植物ホルモンが介する形態形成

研究内容

植物は静物といわれるように動かない生き物の代表と考えられていますが,それは私達の時間感覚では感じられないだけで、記録映像を早回しで見てみると、非常にダイナミックに動いたり,芽や花など新しい器官を次々と作り出していきます。このような形作りは形態形成と呼ばれ,植物ホルモンであるオーキシンが中心的な役割を担っています。当研究室ではシロイヌナズナの突然変異体や形質転換植物を使って,オーキシン応答性遺伝子の発現メカニズムを明らかにしています。

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オーキシン非感受性突然変異体,massugu1 (msg1)massugu2 (msg2)は共に胚軸の重力応答が弱く,横に寝かせても「まっすぐ」成長します。msg1変異は劣性変異であり,その原因遺伝子はARF7という転写因子をコードしていました。一方,msg2)変異は優性変異であり,原因遺伝子はAUX/IAA19というオーキシンで誘導される遺伝子でした。msg2変異が優性ということは突然変異によって何らかの機能を獲得したかのように考えられます。これはどのようなことなのでしょうか?我々が研究しているAUX/IAA19のオーキシン応答はARF7という転写促進因子の機能阻害が解除されることで起こると考えています(下図中Binding with ARF and functional suppression)。Tir1/AFBsオーキシンレセプターとAUX/IAA19タンパク質がオーキシン(indole-3-acetic acid)という低分子化合物を介して結合すると,AUX/IAA19タンパク質がユビキチン化され,ユビキチン化されたAUX/IAAタンパク質は速やかに分解されます。するとAUX/IAA19タンパク質で機能阻害を受けていたARF7転写促進因子が,ターゲット遺伝子群の発現を上昇させることができるようになります。しかし,ARF7転写促進因子のターゲット遺伝子群の中にAUX/IAA19遺伝子が存在することで,新規のAUX/IAA19タンパク質が作られARF7転写促進因子の機能阻害を起こすようになります。つまり,オーキシン濃度依存的にAUX/IAA19タンパク質の濃度が低下する仕組みでオーキシン濃度依存的に転写調節が行われていると予想しています(下図)。

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このモデルは時間の進行を考えなければ妥当だと考えられますが,実際オーキシンを投与した時のAUX/IAA19遺伝子の発現は一過的でした。また最近の研究から,植物組織のオーキシン応答は基底状態と定常状態に分けられることがわかってきました。植物の形態形成はいくつもの段階を経ていること,それぞれのステップにオーキシンが関与していることが示されていることから,このような基底状態と定常状態の相互変換が形態形成に重要な役割を演じていると推測されます。私たちはこの基底状態と定常状態の相互変換を「オーキシン応答の再編」と命名し,その分子メカニズムを解明しています。

植物は食料源として、また地球環境の維持に非常に大きな役割を果たしています。その植物の発生過程を理解することは今後ますます重要になるでしょう。私たちは植物ホルモン「オーキシン」応答の理解と応用から,将来の農業や地球環境の維持に貢献したいと考えています。

メッセージ

植物は「もっとも身近に感じる生き物かもしれません。花や木を見て心を奪われ、ロマンを感じる人も多いと思います。そのように感じるのは人だけではなく、獣であった太古からあった感情かもしれません。科学技術の進歩により植物の成り立ちがより詳細にわかるようになって来ました。そして研究が進むにつれ、すばらしい植物の知恵に驚かされ、新しい疑問が湧いてきます。今この時代において、美しいものの最先端を研究し理解するということはとてもロマンチックなことではないでしょうか。みなさんも植物の素敵な一面を研究してみませんか?

参考文献・論文・著書

「生命とは何か―物理的にみた生細胞」、E.シュレーディンガー、岩波新書 青

「非線形科学」,蔵本 由紀,集英社新書

「エントロピーから読み解く 生物学」,佐藤直樹,裳華房

「ブラックジャック」、手塚治、秋田書店

「風の谷のナウシカ」、宮崎駿、徳間書店

Kami C, Allenbach L, Zourelidou M, Ljung K, Schütz F, Isono E, Watahiki MK, Yamamoto KT, Schwechheimer C, Fankhauser C. (2014) Reduced phototropism in pks mutants may be due to altered auxin-regulated gene expression or reduced lateral auxin transport. Plant Journal. 77: 393-403.

Muto H, Watahiki MK, Nakamoto D, Kinjo M, Yamamoto KT  (2007)  Specificity and similarity of functions of the Aux/IAA genes in auxin signaling of arabidopsis revealed by promoter-exchange experiments among MSG2/IAA19, AXR2/IAA7, and SLR/IAA14. Plant Physiology, 144: 187-196.

Tatematsu K, Kumagai S, Muto H, Sato A, Watahiki MK, Harper RM, Liscum E, Yamamoto K T (2004)  MASSUGU2 Encodes Aux/IAA19, an Auxin-regulated protein that functions together with the transcriptional activator NPH4/ARF7 to regulate differential growth responses of hypocotyl and formation of lateral roots in Arabidopsis thaliana. Plant Cell, 16: 379-393.

Harper R. M., Stowe-Evans E. L., Luesse D. R., Muto H., Tatematsu K., Watahiki M. K., Yamamoto K. T. and Liscum E.  (2000)  The NPH4 locus encodes the auxin response factor ARF7, a conditional growth in aerial tissues of Arabidopsis thaliana. Plant Cell, 12: 757-770.

Watahiki M. K., Fujihira K., Tatematsu K., Yamamoto M. and Yamamoto K. T.  (1999)  The MSG1 and AXR1 genes of Arabidopsis are likely to act independently in growth-curvature response of hypocotyls. Planta, 207: 362-369.

Watahiki M. K. and Yamamoto K. T.  (1997)  The massugu1 mutation of Arabidopsis identified with failure of auxin-induced growth curvature of hypocotyl confers auxin insensitivity to hypocotyl and leaf. Plant Physiology, 115: 419-426.

nameWATAHIKI Masaaki

Research subject

Specialized field

Plant physiology

Key words

Auxin, Tropism, Feedback gene regulation, Differential growth, Organogenesis, Polarity

Research subject

Auxin physiology and plant morphogenesis

Plants are commonly considered as “Still life”, however, we just not able to sense their movement in our temporal sense.  You may see the dynamic movement and development of plants in time-lapse movie.  Plant hormone, “Auxin”, acts central role of these “Morphogenesis” in plant.  This laboratory focused on “Early-Auxin Inducible Genes” and investigate the mechanisms how auxin works for making new organ (called “Organogenesis”).  Arabidopsis is one of our experimental plants for forward genetics and reverse genetics but Potato and Carrot are participate in our project as well.

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Auxin-insensitive mutants, massugu1 (msg1) and massugu2 (msg2) showed defect of gravitropism in etiolated hypocotyl. These mutant tend to grow straight (massugu in Japanese) irrespective to the direction of gravity. Both mutants are isolated by auxin-lanolin curvature test and reduces auxin sensitivity in hypocotyl (Watahiki and Yamamoto, 1997). msg1 is a recessive mutant and responsible gene encodes ARF7 transcriptional activator, while msg2 is a dominant mutant and encodes AUX/IAA19, which is induced by auxin and function as suppressor of transcription through topless protein. Dominant phenotype of msg2 caused by point mutation of domainII which is responsible for interaction with TIR1/AFBs. How dominant mutation suppresses auxin response? We hypothesize that auxin response of AUX/IAA19 is triggered by release of the suppression of ARF7 transcriptional activator (see “Binding with ARF and functional suppression” in figure below). ①Tir1/AFBs auxin receptor and AUX/IAA19 protein binds by small chemical, auxin (indole-3-acetic acid). AUX/IAA19 protein may ubiquitinated by SCF complex and ubiquitinated AUX/IAA degraded by 26S proteasome pathway. ② This decreases cellular (nuclear) concentration of AUX/IAA19 protein and leads to releases the suppression of ARF7 function. Activated ARF7 transcriptional activator target genes for expression. ③ However, ARF7 also activates AUX/IAA19 gene and de-novo protein of AUX/IAA19 suppresses ARF7.  After all, auxin concentration controls cellular (nuclear) concentration of AUX/IAA19 negative and regulates transcriptional activity of ARF7。So, dominant mutation of domainII in msg2 mutant may explained that protein degradation of msg2 is not occurred by increase of cellular auxin level.

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Although this model may apply if we do not consider of the time, the expression of AUX/IAA19 is transient (increase expression and then decrease) by application of auxin. Recent our study suggests that the auxin responsiveness of plant tissue can discriminate in basal state and stationary state. The organogenesis progresses by stepwise stages and auxin may contributes each steps. We speculates the conversion of “Basal state” and “Stationary state” could explain this stepwise progression of organogenesis. We named this conversion of auxin responsiveness as “Remodeling of auxin response” and investigates the molecular mechanisms.

 

Plants are auxotroph organisms and sustain our life as well as environment. Understandings of plant development will become increasingly important in future. My research aims for contribution of agriculture and sustainable environment from the academic knowledge and application of auxin research.

message

Join our Laboratory!!!
We are seeking motivated and well ambitious foreign students. Our group committed to teacing in Graduate school of Life Sciences, Biosystems Science Course. If you are looking for graduate student position, refer WEB site below and contacted with me. Hope your courage to investigate the fundamental mechanism of plant development with us.

Graduate School of Science, Biosystems Science Course HP
http://www.lfsci.hokudai.ac.jp/bs/en/
Higher Order Cellular Functions
http://www.lfsci.hokudai.ac.jp/bs/en/lab/#01
Information of Schlorships
http://www.oia.hokudai.ac.jp/prospective-students/scholarships/
About Hokkaido University
http://www.oia.hokudai.ac.jp/
http://grad.isc.hokudai.ac.jp/cgi-bin/index.pl?page=index&view_category_lang=2&view_category=0&allmenuopen=

references

Kami C, Allenbach L, Zourelidou M, Ljung K, Schütz F, Isono E, Watahiki MK, Yamamoto KT, Schwechheimer C, Fankhauser C. (2014) Reduced phototropism in pks mutants may be due to altered auxin-regulated gene expression or reduced lateral auxin transport. Plant Journal. 77: 393-403.

Muto H, Watahiki MK, Nakamoto D, Kinjo M, Yamamoto KT  (2007)  Specificity and similarity of functions of the Aux/IAA genes in auxin signaling of arabidopsis revealed by promoter-exchange experiments among MSG2/IAA19, AXR2/IAA7, and SLR/IAA14. Plant Physiology, 144: 187-196.

Tatematsu K, Kumagai S, Muto H, Sato A, Watahiki MK, Harper RM, Liscum E, Yamamoto K T (2004)  MASSUGU2 Encodes Aux/IAA19, an Auxin-regulated protein that functions together with the transcriptional activator NPH4/ARF7 to regulate differential growth responses of hypocotyl and formation of lateral roots in Arabidopsis thaliana. Plant Cell, 16: 379-393.

Harper R. M., Stowe-Evans E. L., Luesse D. R., Muto H., Tatematsu K., Watahiki M. K., Yamamoto K. T. and Liscum E.  (2000)  The NPH4 locus encodes the auxin response factor ARF7, a conditional growth in aerial tissues of Arabidopsis thaliana. Plant Cell, 12: 757-770.

Watahiki M. K., Fujihira K., Tatematsu K., Yamamoto M. and Yamamoto K. T.  (1999)  The MSG1 and AXR1 genes of Arabidopsis are likely to act independently in growth-curvature response of hypocotyls. Planta, 207: 362-369.

Watahiki M. K. and Yamamoto K. T.  (1997)  The massugu1 mutation of Arabidopsis identified with failure of auxin-induced growth curvature of hypocotyl confers auxin insensitivity to hypocotyl and leaf. Plant Physiology, 115: 419-426.