植物は栄養環境の不規則な変動に対して柔軟に適応しています。特に、窒素栄養は、植物の要求量が多く、バイオマスや種子収量に大きな影響を与えます。植物は、細胞内の窒素量が低下すると、土壌からの取込みや代謝を柔軟に変化させながらホメオスタシスの維持を試みます。さらに、より長期的な厳しい窒素栄養不足の場合は、花成（栄養成長相から生殖成長相への転換）を誘導し、ソース-シンク機能の劇的な変化を引き起こす能力も有しています。しかし、こうした異なる時間経過において、植物の窒素欠乏応答段階の移行を制御する分子機構はよく分かっていません。本研究では、これまで私たちが同定した窒素欠乏応答に関わる転写因子や上流キナーゼの機能に注目し、植物の窒素応答性ステージゲート機構の解明を目指します。

NAD(P)(H)は、全ての生物が細胞内酸化還元反応に用いる電子伝達物質であり、NAD⁺とNADHは呼吸などの異化反応、NADP⁺とNADPHは光合成などの同化反応で主に使用されます。NAD(P)(H)の量やバランスの変化は植物の環境応答や成長に大きく影響を及ぼしますが、細胞内でどのような制御を受けているのかはよくわかっていません。本研究では、不均一・不規則な環境下において植物が発揮するレジリエンスに寄与するNAD(P)(H)バランス制御を、一次代謝の変化と様々な細胞内局在性を示すNAD(P)(H)代謝酵素の動態から明らかにすることを目指します。

自然環境では様々な物質が不均一に分布し、そこには濃度勾配が存在します。植物の根が不均一な栄養環境に適切に応答するための様々な機能を獲得してきたことは知られていますが、濃度勾配への応答は知られていませんでした。これまで私たちはイネの根が栄養の濃度勾配を感知し、栄養の濃いほう向かって根を曲げる栄養屈性を示すことを明らかにしてきました。栄養屈性は新規の屈性現象であるため、そのメカニズムの大半が未知です。本公募班では栄養屈性に関与する遺伝子の同定とその機能解析を通して、イネの根がどのようにして栄養の濃度勾配を感知し、応答しうるのかを明らかにすることを目指します。

植物が発揮する不均一環境下でのレジリエンスを理解するためには、複数の環境因子情報がどのように統合され、生長・形態形成の制御に反映されるのかを明らかにする必要があります。本研究では、「植物は複数の環境情報をスプライシングダイナミクスとして統合して分子情報化し、成長・形態形成を調節している」という仮説のもと、植物におけるpre-mRNAスプライシングを介した環境情報統合システムの解明に挑みます。具体的には、複数の環境変化がもたらすスプライシングダイナミクスとその生理的役割と、地上から地下に流れてスプライシングに影響する分子シグナルの同定に焦点を定め、植物のレジリエンス発揮におけるRNA代謝制御の役割を解き明かします。

植物は不均一な栄養環境に対して局所的、または全身的に応答することで適応しています。しかしながら、実際の土壌中のように3次元的に不均一な栄養環境における根系の変化が栄養吸収に与える影響の理解は未だ限定的です。その背景には土壌を用いた実験系は根系の観察が困難であり、一方根系の観察が容易な寒天や水耕液を用いた実験系では三次元的に不均一な栄養分布を構成・維持することが困難であるという、技術的ボトルネックが存在します。本研究では、3次元の栄養分布を管理しつつ根系全体像の観察を可能にする新規植物栽培デバイスを確立することで、不均一栄養環境におけるローカルな生育制御が根系形成と栄養吸収に与える影響を明らかにすることを目指します。

植物が不均一な乾燥ストレスにさらされたときには、生長とストレス応答のバランスをとる必要があります。私たちは、このような植物の生存戦略に関わる因子として、SNS1とよばれるタンパク質に着目しています。これまでの研究から、SNS1が植物ホルモンアブシシン酸のシグナル伝達に関わることや、乾燥ストレス下での生長制御、特に乾燥逃避性の開花誘導に関わることがわかってきました。そこで、本研究ではSNS1がこれらの応答を調節するメカニズムを明らかにすることで、植物の乾燥ストレス応答と生長制御機構の一端を解明することを目指します。

昼夜の環境変化に予期的に応答するために、生物は遺伝的に組み込まれた約24時間周期で振動する概日時計を獲得してきました。これまでに、私たちは植物の時計に関わるタンパク質の性質や時計支配下にある遺伝子制御ネットワークなどを明らかにしてきました。しかし、これまでの研究は、均一連続条件下での解析が主流であり、時計の重要な性質である「不均一かつ不規則な環境変化への抵抗性」の理解は不十分でした。 本研究では、私たちが新たに見出している環境変化に応答する時計タンパク質の翻訳後修飾や相分離現象を中心に解析することで、不均一・不規則な環境変化に対する時計のリジリエンスの理解を得ることを目指します。

多細胞生物は、個々に機能分化した異なる器官、異なる組織が協調して働くことで、個体レベルの機能をより適切に発揮させていると考えられています。芽生えた場所で生涯を過ごす植物において、時空間的に不均一な環境に適応してその発生と成長を調節することは繁殖の成功に重要です。本研究では、植物の全身シグナル伝達機構のうち、篩管を介して長距離移行されるmRNAに着目して植物が不均一な環境に適応する生物システムの一端を明らかにします。ゲノムDNAがRNA転写を経てリアルタイムで細胞内情報となり、篩管を介して細胞非自律的に全身に運ばれる現象であり、常時変化する不均一な環境のもとで、植物がいかに強靭に恒常性を維持しているのか、その原理に迫ります。

春は短期的な気温変動が激しい季節ですが、植物は気温変動に惑わされずに適切な期間開花します。春の認識に関わる春化応答では、冬の低温により花成抑制遺伝子FLOWERING LOCUS C（FLC）の発現が抑制され、FLCに抑制型ヒストン修飾が蓄積します。私たちは、シロイヌナズナ属の多年草ハクサンハタザオにおいて、FLCが春の低温で抑制されず一方向的に再活性化され、植物が開花後に栄養成長に戻ることを示しました。本研究は、春の不規則な環境変動下におけるFLCの頑健な制御の仕組みを、エピジェネティクスの観点から解明することを目指し、野外調査、室内実験、統計モデリングによる多角的なアプローチを用います。

水圏に生息する藻類は、光合成の基質となるCO₂が欠乏した条件において、細胞内に能動的に無機炭素を輸送・濃縮することで、光合成能を維持する仕組みCO₂濃縮機構（CCM）を持ちます。私たちは、CCMがCO₂濃度変化に応答して多段階に駆動される仕組みを明らかにしてきましたが、より自然界に近い不均一CO₂環境において、その駆動を柔軟かつ堅牢に制御する仕組みについての理解は不十分でした。本公募班では、モデル緑藻クラミドモナスを用いた分子細胞遺伝学的アプローチにより、CCMを駆動する葉緑体タンパク質の局在変化や動的構造体の制御機構、そして無機炭素の輸送機構がCO₂濃度変化に応答して切り替わる仕組みを明らかにすることで、変動するCO₂環境において発揮される多段階性の光合成順化機構の分子基盤を解明することを目指します。

植物は固着して⽣きるため、芽⽣えたその地で刻々と変動する温度に適応します。従来の植物分⼦遺伝学の研究では植物の温度応答は均⼀な温度条件を⽤いて探究されてきましたが、より自然に近い不均一環境で植物がどのように温度に応答するのかという疑問には不明な点が多く残っています。本公募研究班では、植物が不規則に変動する温度の時間軸に沿って、温度に慣れ、その経験を記憶し、適応力を発揮する段階的な変化に注目します。そのときに働くスプライシング因子、転写因子、およびエピゲノム因子の関係を解析し、植物のレジリエンスを支える多層的な分子機構を解明することを目指します。

太陽から地上に降り注ぐ光は、一日のうちでゆらぎを伴い刻一刻と変化します。このような不均一・不規則な光環境に適応するため、植物は紫外線から可視光領域に至る多様な光質を感知する光受容体群を備えるとともに、光合成の活動変動をシグナルとして利用し、これらの情報を統合することで、光合成機能や成長を最適化しています。本研究では、このような光環境情報の統御機構に焦点をあて、青色光受容体フォトトロピンを中心とした光受容体・光合成シグナリングのクロストーク機構を解明します。また、光受容体キナーゼであるフォトトロピンが光情報を化学情報へと変換し、プロテオームを多様化させる分子機構の解明を目指します。

植物は、時空間的に不均一な環境の変化に対して葉緑体の細胞内局在を変えることで光の吸収量を調節し、光合成を最適化しています。葉緑体の細胞内局在変化は葉緑体光定位運動と呼ばれ、主に光によって制御されています。その一方で、私たちは、実際の野外環境に生育する植物の葉緑体光定位運動の解析を通して、光に加えて、二酸化炭素が葉緑体光定位運動に影響を及ぼすことを見出しました。そこで本研究では、現在不明なままである二酸化炭素による葉緑体光定位運動制御に関する分子機構解明とその生理学的意義を明らかにし、植物の環境適応機構について新たな知見を提供することを目指します。

気孔（孔辺）細胞は、植物独自のオルガネラである葉緑体を保持しています。これまでに私たちは気孔葉緑体が光やCO₂などの環境情報感知に必須であり、気孔閉鎖を駆動する細胞膜型アニオンチャネルの活性制御に関与することを明らかにしてきました。一方、気孔葉緑体を介した環境情報処理の分子メカニズムは不明です。そこで私たちは、高純度の気孔葉緑体単離技法を使った気孔葉緑体プロテオミクス解析から、複数の環境要因が同時に存在する状況や、刻々と変化する光環境に応じて、それらの環境情報を統括する葉緑体因子の候補を探索します。そして、この候補の中から、気孔葉緑体の環境情報処理を介した、植物の不均一環境適応機構の一翼を担う鍵因子の発見を目指します。

植物の高温応答については、分単位の転写ネットワークや時間単位の熱形態形成が良く知られています。一方、私たちの先行研究により、分単位の短期的な高温と数日間にわたる長期的な高温に対する耐性は独立したメカニズムに因ることが分かってきました。植物は高温の長さや強度に応じてステージゲートを設けることで応答の最適解を選択していると考えられますが、時間軸に沿ったシグナルネットワークの変遷・制御の理解には至っていません。本研究班では、短期・長期高温応答に寄与する遺伝子群を同定し、高温の時間軸に沿ったシグナルネットワーク統御を明らかにすることで、植物の高温に対するレジリエンス機構の解明を目指します。

植物の根は重力屈性とともに水分屈性を発現して、土壌中の水分の勾配に応答し、根の伸長方向を決定し、根系を発達させ、土壌中から水養分を吸収します。根の重力屈性は、水分屈性の発現を抑制しますが、その程度は植物種によって大きく異なります。これまでに私たちは、根の重力屈性による水分屈性の抑制の程度は、シロイヌナズナの自然変異体間でも大きく異なることを明らかにしてきました。本研究では、シロイヌナズナの自然変異体間での重力屈性による水分屈性の抑制の差異を担うペプチドホルモン遺伝子での遺伝的変異を明らかにするとともに、それらの遺伝的変異が各自然変異体での環境適応に果たした役割の解明を目指します。

植物は生命を脅かす気温変化(低温・高温ストレス)に晒されると、耐性遺伝子の発現を急速に誘導することでストレスを耐え凌ぐレジリエンス機構を発揮します。これまでに私たちは、通常生育(常温)時に概日時計で働く転写因子群が低温・高温ストレス初期の遺伝子発現誘導を制御すること、またストレスに応答した翻訳後制御を受けることを明らかにしました。そこで本公募研究班では、ゲノム編集ツールを組み合わせたプロテオミクス解析やイメージング技術を用いて、概日時計転写因子が常温・低温・高温においてそれぞれの標的遺伝子の発現を制御する分子機構を解析することで、多様に変化する不均一な温度環境において植物が成長とストレス耐性とを柔軟に切り替えるメカニズムの解明を目指します。

植物は根と葉のコミュニケーションによって様々な環境ストレスに柔軟に適応する力を備えています。しかし、土壌の栄養が欠乏した時に「植物はどのように空腹を感知し、その情報を全身に伝え、栄養吸収を促すことで成長を維持しているのか？」は未解明な点が多く残されています。本研究では、光合成や多様な代謝反応に必須の「鉄」に着目し、分析化学・イメージング解析・有機合成化学の手法を駆使して、根から空腹を伝える「空腹シグナル」と、根へ栄養吸収を促す「指令シグナル」の2つの分子を中心とした制御系を支える長距離シグナル伝達機構解明を目指します。これにより、分子から個体へ、植物の不均一栄養環境ストレス応答をこれまでにない横断スケールで包括的に解析し、制御する新たな研究を展開します。

植物の根の各組織のサイズは主に根端部での放射方向の細胞分裂によって調節されます。これまでに私たちは植物が種ごとに生育地の土壌水分に適した根の組織サイズをもつことや、各個体の根の組織サイズが土壌水分の変動に対する可塑性を示すことを明らかにしてきました。その一方で、根の組織サイズの可塑性に関する発生学的な背景とメカニズムの理解は不十分です。本研究では、イネや他の植物種がリン酸の欠乏に応答して根の皮層を特異的に肥大させるメカニズムとその適応的意義を発生と共生の観点から理解します。それを基盤として、植物の根が土壌中の不規則なリン濃度を感知して根端部での細胞分裂を調節するメカニズムを解明することを目指します。

地球温暖化による大気温度の上昇は、植物の成長に大きな影響を及ぼします。生育周囲温度が高くなると、植物は熱形態形成と呼ばれる成長様式を示し、周囲温度に対するレジリエンスを発揮します。地表と地下では大気と土壌といった媒質の違いから、同一個体でも器官間の周辺温度は一定ではありません。植物はこの不均一性を感受し、地上部と根で異なる制御系により熱形態形成をしめします。本研究班では地上部と地下部を異なる温度で生育させ、不均一温度環境下での根の成長メカニズムを明らかにすることを目的とします。特に、極長鎖脂肪酸(VLCFA)が制御する転写ネットワークに着目して、VLCFAをシグナル分子として利用する新たな根の成長メカニズムの解明を目指します。

核内構造体カハールボディは膜を持たない凝集体で特定のRNAとタンパク質が相分離することで形成されます。植物のカハールボディは発生過程や細胞分化状態によってその動態がダイナミックに変化することが知られています。私たちはカハールボディの形成が一連の遺伝子群の発現制御を介して外気温変化に応答した植物の形態形成に関与することを見いだしました。不均一に刻々と変動する外気温への応答は植物にとって重要な生存戦略です。外気温による器官の形態形成に着目し、核内の相分離による新しい遺伝子発現制御機構の解明を目指します。