发现植物生长促进激素的新激活途径~期待在以水稻为首的作物收获提高上的应用  【本研究要点】*发现植物生长促进激素之一细胞分裂素注1 )的新激活途径 *活化酶CPN1注2 )对细胞壁空间中存在的、从根运输的前体注3 )进行活化 *由于在水稻的穗形成等中发挥重要的作用，所以有望应用于产量提高 【研究概要】国立大学法人东海国立大学机构名古屋大学研究生院生命农学研究科的榊原均教授、小岛美纪子博士后期课程学生(社会人课程)、名古屋大学生物功能开发利用研究中心的特任副教授保浦德升等研究小组由国立研究开发法人理化学研究所环境资源科学研究中心( CSRS )的岩濑哲高级研究员、 在与国立研究开发法人农业·食品产业技术综合研究机构高级执行搜索器矢野昌裕、国立大学法人冈山大学资源植物科学研究所教授山本敏央的共同研究中，发现了植物生长促进激素之一细胞分裂素的新激活途径。细胞分裂素是根据氮素营养促进植物生长和水稻穗形成等，与植物生产相关的非常重要的植物激素。 迄今为止，人们一直认为其生物合成是在细胞内进行的，但本研究表明，被鉴定的细胞分裂素活化酶蛋白CPN1存在于叶的细胞壁空间( Popos )中，通过与细胞内不同的代谢途径，明确了将从根运输过来的前体转换为活性型。 另外，发现在失去CPN1功能的水稻突变体中，细胞分裂素信息在叶子中的传递变得不正常，穗的大小也变小。由于利用CPN1基因，可以人为地调节细胞分裂素作用，因此有望应用于提高以水稻为首的作物的产量。本研究成果刊登在2023年8月29日(日本时间)的美国科学院院刊“proceedings of the national academy of sciences of the United States of America”在线版上。 【研究背景和内容】 植物激素在植物从萌发到生长、开花、结果的一生的各个过程中，作为负责调节其调节的信息分子起着重要的作用。 人类通过育种技术创造出了各种品种，但其中也有不少与植物激素的作用有关。 例如，20世纪中期使水稻和小麦的生产率翻了一番的“绿色革命”注4 )的致病基因，是从具有使土霉素这种植物徒长作用的植物激素的生物合成中，以及与信息传递相关的基因座中发生的自然突然变异中选拔出来的。 另外，2005年，作为增加水稻稻谷数的基因座，Gn1a被发现，其实体被证实是向细胞分裂素这一植物激素的分解酶基因的突变。 因此，作为探索农业性状相关基因的新方法，发现了对水稻体内植物激素浓度产生影响的量的基因座( QTL注5 )，在弄清其原因的基础上进行了验证农业实用性的研究。用沙薩尼西基和哈巴狗等不同性质品种杂交制成的染色体断片置换系统组( chromosome segment substitution lines，CSSLs )注6 )的幼苗，对主要植物激素的内生量进行了全面分析，结果显示细胞分裂素核糖苷注7 )在第5染色体上检测到对衍生体浓度有强烈影响的QTL (图1 )。因此，在对该QTL的致病基因进行筛选后，发现其致病基因编码酶，其结构与嘌呤代谢相关的核糖氧化酶类似。 接着，利用大肠杆菌大量调制该基因编码的蛋白质，调查酶的性质后，明确了其具有从细胞分裂素的核糖前体中去除核糖，转换为活性型的活性。 所以我们把这个基因命名为CPN1 ( cyto kinin purine ribo side nucleosidase1)。关于细胞分裂素的生物合成途径，榊原教授等人的研究小组在大约15年前就已经明确了被称为LOG的酶承担着活性化反应，发现CPN1是以与之不同的中间代谢化合物为基质制造活性型分子的酶(图2 )。实际上，40多年前，虽然只报道了1篇暗示存在这种酶的论文，但其实体还没有弄清楚，因此能够鉴定出该酶的基因。有趣的是，发现CPN1不存在于细胞内，而是存在于非原质体注8 )，具体来说是存在于细胞壁空间。 迄今为止，以细胞分裂素为首的植物激素的生物合成途径都被认为是在细胞内，所以这个发现令人意外。 为了了解存在于细胞外的意义，我们准备了在CPN1基因中插入转座子注9 )而导致功能被破坏的水稻，从其切叶的切口，分析了给予细胞分裂素核糖前体时对细胞分裂素应答性基因表达诱导的影响。 于是，在变异毒株中，给予核糖体前体时的基因表达应答比正常株减弱。 同样的减弱效果也出现在了向水稻幼苗的根给予氮营养时发生的细胞分裂素响应性基因在叶子中的表达中。 细胞分裂素是响应氮营养的供给而促进生物合成的激素，活性强的反式玉米素(zeatin)主要在根中合成，以核糖体前体的形式通过道管注10 )输送到地上部进行作用，这一结果可以解释为是由于从根运送的核糖体前体向活性型的转化反应减弱而引起的(图3 )。其次，为了验证该基因的有用性，利用上述转座子插入变异毒株在名古屋大学的东乡农场进行了性状调查，发现突变体中秆的长度(株高)变短，穗的发育也不能充分进行(图4 )。 【成果的意义】这次的研究表明，细胞分裂素除了在细胞内的生物合成途径外，还有在细胞从前驱体中制造活性型分子的途径。 这具有将植物激素生物合成途径的概念从细胞内扩展到细胞外的学术意义。 另外，细胞分裂素具有促进生长的重要作用，这是从根部吸收并同化了的氮营养。 CPN1与从根通过道管输送来的细胞分裂素前体的活性化相关，对水稻的穗形成等产生影响，因此，将来通过调节该基因的功能，可以期待应用于使氮营养与植物生长和稻谷数等农业性状良好结合的育种中。本研究是在农林水产省“新农业展开基因组计划”( NVR0004 )以及科研费( 17h 06473，19h 00931，21f 21765 )的支持下进行的。  图1 .沙萨尼西基(稻种名)×哈巴狗(稻种名)CSSL中影响细胞分裂素核糖体( cZROG )内生浓度的QTL峰检出第5染色体上检出强峰。 cZROG :半胱胺苷-邻葡萄糖苷  图2 .细胞分裂素生物合成途径 在这次的研究中，明确了从核糖体前体产生活性型的红箭头路径的存在。 iP :异戊烯腺嘌呤、tZ :反式玉米素、iPR: iP核糖苷、tZR: tZ核糖苷、IPR MP:IPR 5’-一磷酸、tzr MP:tzr 5’-一磷酸  图3CPN1在细胞壁空间中的作用 从根部以核糖体前体( tZR )的形式运输的部分细胞分裂素在细胞壁空间被CPN1转化为活性型( tZ )，被存在于细胞膜上的受体识别。 除此之外，通过被称为ENT和PUP的运输进入细胞内，前体通过LOG转换为活性型。  图4 .日本晴和cpn1突变体间穗形态的比较 与日本晴相比，在cpn1突变体中，穗的发育不充分，变小了。 光栅尺5厘米。 【用語説明】注1 )细胞分裂素( cytokinin ) :与植物枝条和腋芽生长促进、叶片衰老抑制、水稻穗形成等相关的植物激素。 响应氮营养的供给，促进生物合成。 活性强的反式玉米素主要由根合成，以核糖体前体的形式通过道管输送到地上部发挥作用。注2 )活化酶CPN1 :cyto kinin/purine ribo side nucleosidase 1。 从与已知细胞分裂素激活酶LOG不同的底物(核糖体前体)产生活性类型(见图2 )。注3 )前体:关于某个化合物，是指其生成前一阶段的化合物。注4 )绿色革命( green revolution ) :在20世纪40~1960年代，通过向水稻和小麦赋予株高变低但对穗长影响小的性状(半矮性)，培育出即使施用化学肥料也难以倒伏的品种，实现了谷物的大量增产。 对绿色革命做出巨大贡献的诺曼·博格在1970年获得了诺贝尔和平奖。注5 ) QTL(quantitative trait locus ) :量的性状基因座。 影响株高和稻谷数等量的性状的染色体上的DNA区域。 与花的颜色等由一个或少数基因作用决定的性状(质的性状)不同，株高、稻谷数、以及代谢物的蓄积量等由数量表现的性状称为量的性状。 一般来说，量的性状被观察为非常多基因作用的总和。注6 )染色体片段置换系统群( chromosome segment substitution lines， CSSLs ) : 将2种系统( a，b )作为母株进行交配，并对一方的母株( a )进行回交 由此，是指每个系统中a的染色体的一部分被b的染色体片段置换的系统群。 在水稻中，通过各种系统的组合制作了CSSLs，被用作实验系统资源。注7 )核糖苷:附加了核糖的糖苷。 众所周知，细胞分裂素之一的反式阿根廷核糖苷是细胞间和器官间移动时的转运型。注8 )非原质体（apoplast ) :植物体内细胞外空间中，充满水溶液的区域的总称。 是与表示细胞膜内侧空间的辛普森氏体成对的概念。 非原质体作为植物体内的水和溶解在其中的各种物质的移动空间发挥着重要的作用。注9 )转座子:可以转移基因组上位置的碱基序列片段区域。 既有DNA片段转移的类型，也有经过从DNA向RNA转录再向DNA逆转录过程的类型(逆转录转座子)。 在水稻方面，由农业生物资源研究所(现农业·食品产业技术综合研究机构)开发了在日本晴品种上随机转移了被称为Tos17的逆转录酶的研究用资源，被广泛应用于研究。注10 )道管:是植物体内负责物质运输的内部组织，主要负责水、无机养分、植物激素的运输。 蒸腾流和根压成为搬运的驱动力。 【论文信息】杂志名称: proceedings of the national academy of sciences of the United States of America ( PNAS )论文标题: a cell wall-localized cyto kinin/purine ribo side nucleosidase is involved in AP oplastic cyto kinin metabolism in ory za sativa一种细胞壁定位的细胞分裂素/嘌呤核糖核苷酶参与了油菜的细胞质分裂素代谢作者: Mikiko Kojima (本校研究生(社会人博士后期课程，研究当时) )、Nobue Makita、Kazuki Miyata (本校研究生)、Mika Yoshino (本校研究生)、Akira Iwase、miwa oha Alicia Surjana (本学研究生(研究当时) )，Toru Kudo，Noriko Takeda-Kamiya，Kiminori Toyooka，Akio Miyao，Hirohiko Hirochika，Tsuyu Ando Masahiro Yano、Toshio Yamamoto、Tokunori Hobo (本学教师)、Hitoshi Sakakibara （本学教員） DOI: 10.1073/pnas.2217708120 URL: https://www./doi/10.1073/pnas.2217708120 参考译文 一种细胞壁定位的细胞分裂素/嘌呤核苷核苷酶参与水稻质外体细胞分裂素的代谢 在细胞分裂素生物合成的最后一步，主要途径是通过磷酸核糖水解酶从细胞分裂素核苷酸前体中消除核糖磷酸部分，磷酸核糖水解酶是一种由名为LONELY GUY (LOG)的基因编码的酶。这种反应是调节植物生长和发育所需的大部分细胞分裂素的来源。相反，非对数依赖性途径，其中去磷酸化和去糖基化相继发生，也被认为在细胞分裂素生物合成中起作用，但基因实体和生理作用一直难以捉摸。在本研究中，我们分析了水稻染色体片段代换系的植物激素含量，并通过数量性状位点分析寻找影响细胞分裂素核苷内源水平的基因。我们的方法鉴定了一种编码催化细胞分裂素核苷前体和其他嘌呤核苷去糖基化的酶的基因。我们鉴定的细胞分裂素/嘌呤核苷核苷核苷酶1 (CPN1)是一种细胞壁定位蛋白。功能缺失突变(cpn1)是通过插入tos 17-反转录转座子而产生的，该转座子改变了幼苗枝条和叶片质外体液中的细胞分裂素组成。cpn1突变也消除了叶提取物中细胞分裂素核糖核苷酶的活性，并减弱了细胞分裂素标记基因的反式玉米素核糖核苷反应性表达。在大田条件下，突变体的籽粒产量由于穗形态的改变而下降。这些结果表明，由CPN1催化的细胞壁定位的非对数依赖性细胞分裂素激活途径在细胞分裂素控制水稻生长中起作用。我们的发现拓宽了细胞分裂素代谢系统的空间视角。 |
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