窒素栄養は、植物の代謝における重要度が高く、バイオマスや種子収量に大きな影響を与えます。そのため植物は、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自身の成長を最適化します。さらに、より継続的で厳しい窒素栄養不足と判断した場合は、成長相の転換を伴う個体レベルでの応答を引き起こす能力も有しています。しかし、こうした代謝適応から成長相転換へと応答段階を移行する分子機構について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応答性花成制御因子の機能に着目し、植物の窒素応答性ステージゲート制御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、NADP⁺とNADPHは光合成などの同化代謝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。

植物を取り巻く栄養環境は空間的に連続的な変化をしているはずで、植物はそのような勾配のある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と考えられます。その一つと考えられる先行研究において発見した栄養屈性は、連続的に変化をする栄養の濃度勾配に応答して栄養の濃い方向に向かって根を曲げるという新しい屈性現象です。本研究ではすでに同定した栄養屈性に真逆に関与する2つの栄養屈性制御遺伝子OsNAT (アンモニウム輸送体)及びOsENR1(機能未知)の機能解析を通じて、植物根がどのように栄養濃度勾配の感知と伸長方向の変化を行っているのか、その分子機構の解明を目指します。

みずから動くことの出来ない植物は、つねに変動する環境因子を感知し、環境条件に合わせて形態や機能を調節しています。私たちはこれまで、植物の温度や光に依存した形態形成には、pre-mRNAスプライシング制御が重要であることを明らかにしてきました。本研究ではその中でも側根の形態形成に焦点を当て、地上部が受容する環境情報がどのように地下部器官の形態形成を制御するのか、葉緑体シグナルとpre-mRNAスプライシングに注目しながら、その詳細を明らかにします。これによって、植物がRNA代謝制御を介して不均一な環境条件を形態形成に反映させ、レジリエンスを発揮させる分子メカニズムの理解を目指します。

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、ヒストンアセチル化酵素複合体の構成因子であること、乾燥ストレス下での生長制御に関わることなどがわかってきました。そこで、本研究ではSNS1が環境ストレス情報をヒストン修飾の形で入力するメカニズムを明らかにし、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機構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（光や温度など）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運動と呼ばれ、一般的に、青色光受容体フォトトロピンによって制御されています。その一方で、私たちはゼニゴケの葉緑体運動において、フォトトロピンに加えて、光合成によって誘導される反応が存在することを見出しました。本研究では、現在不明なままである光合成依存の葉緑体運動の分子機構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。