*Seki, M., Kuze, Y., Zhang, X., Kurotani, K.-i., Notaguchi, M., Nishio, H., Kudoh, H., Suzaki, T., Yoshida, S., Sugano, S., Matsushita, T., and *Suzuki, Y.

An improved method for the highly specific detection of transcription start sites.

Nucleic Acids Res., in press (2023) Linkプレスリリース

ゲノムから遺伝子が読み取られるDNA上での位置である転写開始点（TSS）を網羅的に決定するTSS-seq2法を開発しました。さらに、領域内の吉田班、野田口班、壽崎班、西尾班との共同研究により、コシオガマ、ベンサミアナタバコ、ミヤコグサ、ハクサンハタザオの4種類の植物について、TSS情報の収集を行いました。TSSの決定は、RNAの正確な構造や、TSSの近辺に存在して遺伝子の機能を調節する領域であるプロモーターを同定するために重要です。正確性の高いTSS検出法は、必要なRNAの量が多く、プロトコルが複雑であるなど、簡単には実施できない手法が主でした。今回、開発したTSS-seq2は、比較的簡単なプロトコルで、他の既存の方法よりも特異的にTSSを検出でき、5ナノグラムと少量のRNAからでも実施できます。TSS-seq2により、様々な生物種や組織でのmRNAの正確な構造の同定や遺伝子の制御の研究、特に、希少な細胞種や微小な組織などの少量のサンプルの解析への応用が期待されます。また、今回収集した植物のTSS情報は、これらの植物種の研究の基盤データとなることが期待されます。

*Mori, S., Oya, S., Takahashi, M., Takashima, K., *Inagaki, S., and *Kakutani, T.

Cotranscriptional demethylation induces global loss of H3K4me2 from active genes in Arabidopsis.

EMBO J., e113798 (2023) Linkプレスリリース

変動する自然環境の中で植物が効率的に遺伝子発現を変動させて環境に適応するためには、過去の遺伝子発現状態の情報を活かし、次に来る同様の環境変動に迅速に応答する必要があると考えられます。しかし、遺伝子の転写活性をどのように記録するのか、その分子メカニズムは不明でした。本研究では一般的に転写活性型マークと考えられてきたヒストンH3の４番目のリジンのジメチル化（H3K4me2）は植物においては転写抑制的に働くこと、また、H3K4me2を除く脱メチル化酵素であるLDL3タンパク質が転写中のRNAポリメラーゼに結合して働き、転写が活発に起きている遺伝子領域からH3K4me2を除くことを明らかにしました。その結果出来上がる低H3K4me2レベル状態は遺伝子発現に促進的に働くと考えられます。LDL3タンパク質のRNAポリメラーゼとの結合能力は陸上植物の進化の過程で獲得されたと考えられることから、動けない植物が変動環境に迅速に対応する巧みな仕組みであると考えられます。

*Berthelier, J., Furci, L., Asai, S., Sadykova, M., Shimazaki, T., Shirasu, K., and *Saze, H.

Long-read direct RNA sequencing reveals epigenetic regulation of chimeric gene-transposon transcripts in Arabidopsis thaliana.

Nature Commun., 14, 3248 (2023) Linkプレスリリース

ゲノム中には転移因子（トランスポゾン）と呼ばれるDNA配列が多数存在しています。トランスポゾンはゲノム中を移動して遺伝子を破壊したり、自身のコピーを増幅させる性質があるため、植物はトランスポゾンの活性を抑制するDNAメチル化やヒストン修飾などのエピジェネティックな機構を進化させてきました。トランスポゾンは遺伝子の近傍や内部にも存在していますが、どのように遺伝子の発現と機能に影響するかは多くが未解明のままです。本研究では、RNAダイレクトシークエンシングという直接RNA分子を検出する技術を用いてシロイヌナズナを解析し、通常の遺伝子とトランスポゾン配列が融合したmRNAを転写する数千の遺伝子座を新たに同定しました。また、DNAメチル化やヒストン修飾の変化、環境ストレスが遺伝子-トランスポゾン転写産物の制御に影響を与えることも明らかになりました。さらに、領域内の吉田班白須グループとの共同研究により遺伝子-トランスポゾン転写産物の発現パターンが変化した変異体では病原体感染に対してより抵抗性が上昇していることも見出しました。高温や病原菌などのに応じてトランスポゾンの発現量が変化していることが分かりました。今回の研究からトランスポゾン配列による遺伝子転写制御と環境適応のメカニズムの一端が明らかになりました。

Ishikawa, K., Xie, X., Osaki, Y., Miyawaki, A., Numata, K., and *Kodama, Y.

Bilirubin is produced nonenzymatically in plants to maintain chloroplast redox status.

Sci. Adv., 9, eadh4787 (2023) Linkプレスリリース

ビリルビンはヒトなどの動物の血液に含まれるヘムの代謝産物として知られ、黄疸の原因物質として有名な色素です。人体においてはヘムの多くが赤血球中のグロビンというタンパク質に結合した「ヘモグロビン」として存在し、酸素を全身に輸送する機能を果たしています。一方で、血液が分解される際には、グロビンタンパク質から外れたヘム（遊離ヘム）が発生しますが、これが強い毒性を有することが知られています。そこで動物は、酵素を使って遊離ヘムを分解するシステムを有しています。動物では、遊離ヘムはビリベルジンという物質になった後、最終的にビリルビンに代謝されます。植物は血液を持ちませんが、動物と同様にヘムを有し、ヘムは酵素と結合することで、光合成や呼吸などで重要な役割を果たしています。しかし植物における遊離ヘムは、葉緑体内の酵素によってビリベルジンに変換されるものの、動物とは異なり、ビリルビンには代謝されないと考えられてきました。本研究では、ビリルビンに結合した際に蛍光を発するニホンウナギ由来UnaGタンパク質を用いて、様々な植物種でビリルビンが作られることを発見しました。また植物ビリルビンは、光合成の際に大量に発生するNADPHという物質と反応して非酵素的に作られ、酸化ストレスの低減に働いていました。この非酵素反応を介したメカニズムは、植物が変動する光環境に迅速に対応するために発達させたものと考えられます。

Aihara, Y., Maeda, B., Goto, K., Takahashi, K., Nomoto, M., Toh S., Ye, W., Toda, Y., Uchida, M., Asai, E., Tada, Y., Itami, K., Sato, A., *Murakami, K., and *Kinoshita, T.

Identification and improvement of isothiocyanate-based inhibitors on stomatal opening to act as drought tolerance–conferring agrochemicals.

Nature Commun., 14, 2665 (2023) Linkプレスリリース

植物の表皮には気孔が数多く存在し、植物はこの孔を通して光合成に必要な二酸化炭素を取り込み、蒸散や酸素の放出など、大気とのガス交換を行っています。気孔は一対の孔辺細胞により構成され、太陽光に含まれる青色光などに応答して開口します。孔辺細胞に青色光が照射されると、青色光受容体フォトトロピンが活性化し、細胞内シグナル伝達を経て細胞膜プロトンポンプを活性化し、気孔開口の駆動力が形成されますが、青色光がどのようにプロトンポンプを活性化するのか、シグナル伝達の詳細は完全には明らかになっていません。本研究では、気孔開度制御の分子機構を明らかにするため、気孔開度に影響を与える化合物の網羅的なスクリーニング（約3万）を実施しました。その結果、アブラナ目植物がもつ天然物のイソチオシアネートであるベンジルイソチオシアネート (BITC) が細胞膜プロトンポンプの活性化を抑制することで気孔開口を抑制することが明らかとなりました。また、BITCの分子構造を改良することによって、抑制活性がBITCよりも最大66倍強いスーパーITCの開発にも成功しました。スーパーITCは、植物ホルモン・アブシジン酸をしのぐ気孔開口抑制活性を有し、かつ、効果がより長期間持続することが分かりました。さらに、これらの化合物をキクの切花や土植えのハクサイに散布したところ、乾燥による葉のしおれが抑制されることが明らかとなり、切花や生け花の鮮度保持剤や農作物の乾燥耐性付与剤としての利用が期待される結果が得られました。

*Kidokoro, S., Konoura, I., Soma, F., Suzuki, T., Miyakawa, T., Tanokura, M., *Shinozaki, K., and *Yamaguchi-Shinozaki, K.

Clock-regulated coactivators selectively control gene expression in response to different temperature stress conditions in Arabidopsis.

Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 120, e2216183120 (2023) Link

気温は自然界において絶え間なく変化しており、生物の成長や生存に多大な影響を与えます。植物は、常温時には明暗などの周期的な変化に応じて概日時計を介して成長を制御しています。一方で、低温ストレスや高温ストレスに晒されると、ストレスに応じた耐性遺伝子の発現を誘導します。本研究では、概日時計で働くことが知られていた転写コアクチベーターであるLNKファミリーが低温ストレスや高温ストレスの初期応答における遺伝子発現の誘導と耐性獲得にも機能することを明らかにしました。特に、シロイヌナズナが持つ４つのLNK(LNK1-LNK4)のうち、機能が未知であったLNK3とLNK4が低温ストレス時の遺伝子発現誘導において強く機能することを見出しました。またLNK1とLNK2は常温時と高温ストレス時の遺伝子発現誘導において機能していました。温度変化に応じたLNKタンパク質の使い分けにより、植物が成長と耐性獲得のシグナル経路を柔軟に切り替えることが可能になると考えられます。

Bessho-Uehara, K., Masuda, K., Wang, D., Angeles-Shim, R., Obara, K., Nagai, K., Murase, R., Aoki, S., Furuta, T., Miura, K., Wu, J., Yamagata, Y., Yasui, H., Kantar, M., Yoshimura, A., Kamura, T., McCouch, S., and *Ashikari M.

REGULATOR OF AWN ELONGATION 3, an E3 ubiquitin ligase, is responsible for loss of awns during African rice domestication.

Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 120, e2207105120 (2023) Linkプレスリリース

人類はおよそ１万年かけて、野生イネを改良して栽培に適したものにしてきました。イネはアジアとアフリカの2地域で独立に栽培化されましたが、その標的となった表現型は両者で共通するものが多く、芒（のぎ）の喪失もその1つでした。イネの芒は種子先端に形成される突起状の構造物で、野生イネでは自然状況下において種子の拡散や鳥獣からの食害防除に役立っていますが、栽培する上では作業を煩雑化する形質で、栽培化の過程で取り除かれました。本研究では、栽培化の過程でアフリカイネが芒を失う原因となった遺伝子変異を同定しました。これまでに研究チームは、アジアイネの芒喪失にRAE1とRAE2の2つの遺伝子の機能欠損が重要であったことを示してきましたが、アフリカイネの芒喪失については詳しくわかっていませんでした。本研究では、アフリカイネにおける芒喪失はE3ユビキチンリガーゼをコードするRAE3という遺伝子の機能欠損が原因であったことを示しました。これまでアジアイネとアフリカイネの栽培化関連形質は、同じ遺伝子の異なる変異が選抜されることにより達成されてきたと報告されていましたが、今回初めて、アジアイネとアフリカイネで共通の栽培化形質（芒の喪失）が異なる遺伝子変異の選抜によってもたらされたことを明らかにしました。

Ogawa-Ohnishi, M., Yamashita, T., Kakita, M., Nakayama, T., Ohkubo, Y., Hayashi, Y., Yamashita, Y., Nomura, T., Noda, S., Shinohara, H., and *Matsubayashi, Y.

Peptide ligand-mediated trade-off between plant growth and stress response.

Science, 378, 175-180 (2022) Linkプレスリリース

植物は、自然環境下における病害・温度・塩などの様々なストレスに適応するために、成長に使うエネルギーの一部を状況に応じてストレス応答に回すしくみを持っており、「成長とストレス応答のトレードオフ」と呼ばれます。本研究では、ペプチドホルモンPSYとその受容体PSYRが、細胞間シグナリングを介してストレス応答のONとOFFを切り替えていることを発見しました。非常に興味深いことに、受容体PSYRはリガンドであるPSYが結合していないときに活性化してストレス応答に関連する多数の転写因子群の発現を誘導し、逆にPSYの結合によって不活性化されます。普段は全身の細胞で発現しているPSYのはたらきにより、ストレス応答は抑制されていますが、この通常とは逆の活性化メカニズムによって、植物は巧みなストレス応答能力を発揮します。すなわち、組織の一部が環境ストレスによってダメージを受けて代謝不全になるとPSYが生産されなくなり、局所的にリガンド濃度が低下します。その結果、ダメージ部位の周辺部の細胞においてのみPSYRが活性化してストレス応答が誘導され、効率よくダメージの拡大を防ぐことができます。PSYとPSYRのはたらきによって、植物は不均一な環境ストレスに巧みに適応しています。

Ogawa, S., Cui, S., White, A. R. F., Nelson, D.C., Yoshida, Y., and *Shirasu, K.

Strigolactones are chemoattractants for host tropism in Orobanchaceae parasitic plants.

Nature Commun., 13, 4653 (2022) Linkプレスリリース

根寄生植物は、①宿主となる植物が近くにいることを認識し発芽する、②自身の根を宿主の根に向けて伸ばす、③根を連結させ栄養や水を奪う、という3段階を経て寄生を完了させます。このうち、①と③については研究が進められてきましたが、②の屈性と呼ばれる現象のメカニズムについてはほとんど明らかになっていませんでした。今回、国際共同研究グループは、ハマウツボ科寄生植物のコシオガマが宿主の根から放出される根圏情報物質のストリゴラクトン（SL）に対して屈性を示すことを発見しました。この屈性はアフリカなどで農業被害を引き起こしている同じハマウツボ科のストライガでも見られる一方で、非寄生植物では見られないことから、ハマウツボ科寄生植物に特有の戦略である可能性があります。また、SLへの屈性には植物ホルモンであるオーキシンの輸送が関与すること、屈性はアンモニウムイオンの存在下では抑制されることを発見し、さらにSLを認識して屈性を引き起こす受容体を同定しました。

*Oya, S., Takahashi, M., Takashima, K., *Kakutani, T., and *Inagaki, S.

Transcription-coupled and epigenome-encoded mechanisms direct H3K4 methylation.

Nature Commun., 13, 4521 (2022) Linkプレスリリース

ヒストン修飾の1つであるヒストンH3タンパク質の4番目のリジンのメチル化（H3K4メチル化）は、進化的保存性が高く、ゲノムの中でも特に発現レベルの高い遺伝子領域に分布してします。H3K4メチル化が遺伝子の発現を促進しているのか、あるいは遺伝子発現の結果導入されるものなのかといった点や、H3K4メチル化が特定のゲノム領域に導入される仕組みについては、いくつもの仮説が提案され、議論が続いていました。今回の研究では複数あるH3K4メチル化酵素それぞれのゲノム中の分布を実験的に決定し、局在パターンを機械学習によりモデル化する手法から、遺伝子の転写装置と共働するタイプのメチル化酵素と、特定のクロマチン修飾やDNA配列を標的にするタイプのメチル化酵素の2つが分業してH3K4メチル化を制御していることを見出しました。またこの2つの制御モードはシロイヌナズナとマウスという進化的に遠く離れた生物種間で保存されていることも見出しました。

*Sakamoto, T., Sakamoto, Y., Grob, S., Slane, D., Yamashita, T., Ito, N., Oko, Y., Sugiyama, T., Higaki, T., Hasezawa, S., Tanaka, M., Matsui, A., Seki, M., Suzuki, T., Grossniklaus, U., and *Matsunaga, S.

Two-step regulation of centromere distribution by condensin II and the nuclear envelope proteins.

Nature Plants, 8, 940-953 (2022) Linkプレスリリース

様々な環境に対応する遺伝子発現を正常に実行するためには、細胞核内のDNAが3次元的に適切な空間配置ポジションをとることが重要であることが示唆されています。シロイヌナズナの変異体を使用してセントロメアを分散配置させるタンパク質群（CII-LINC複合体およびCRWN）の同定に成功し、二つの分子経路が関与することを明らかにしました。1885年以来、130年以上、謎であったセントロメアの空間配置パターンの分子メカニズムが明らかになりました。また、正常なセントロメアの空間配置ができなくなると、DNA損傷ストレスを受けた時に器官成長が悪くなることがわかりました。これは、生物が環境ストレスに対応するためには、細胞核内の適切なDNAの空間配置が必要なことを示唆しています。

Matsumura, M., *Nomoto, M., Itaya, T., Aratani, Y., Iwamoto, M., Matsuura, T., Hayashi, Y., Mori, T., Skell, M.J., Yamamoto, Y.Y., Kinoshita, T., Mori, I.C., Suzuki, T., Betsuyaku, S., Spoel, S.H., Toyota, M., and *Tada, Y.

Mechanosensory trichome cells evoke a mechanical stimuli–induced immune response in Arabidopsis thaliana.

Nature Commun., 13, 1216 (2022) Linkプレスリリース

植物はヒトなどの多細胞生物と同様に免疫系を持っており、病原体を感知すると、免疫関連の遺伝子発現を介して感染を阻害します。一方で、植物に感染する病原体の多くは、雨によって媒介されます。雨滴の中には細菌、糸状菌やウイルスといった病原体が含まれており、それらが病害発生の直接的な原因になりうることも知られています。したがって、植物にとって雨は危険因子としての側面もありますが、植物が雨に対してどのように応答するかは未解明でした。本研究では、雨は葉の表面に存在する毛状の細胞（トライコーム）によって感知されると、トライコーム周辺の組織にカルシウムウェーブを誘導し、病原体に対する免疫を活性化し、その感染を防除することを明らかにしました。