博 士 （ 農 学 ）周
学 位 論 文 題 名
克 琴
Signals and transcription factors involved in phosphorus starvation responses in white lupin
（シロバナルーピンのりン欠乏応答に関わるシグナルと転写調節因子）
学位論文内容の要旨
Cluster roots contribute much to the adaptation to phosphorus (P) deficiency in white lupin (Lupinus albus L.). Cluster root formation is affected by the P‑limiting level in shoots, but not in roots. Thus, shoot‑derived signals have been expected to transmit the message of
P‑deficiency to stimulate cluster root formation. Transcription factors and signaling proteins have also been expected to be involved in such signaling cascades. The present study indicates that sugars are required for a response to P starvation including cluster root formation and the expression of P starvation‑induced genes. Moreover, transcription of 60 genes encoding transcription factors and signaling proteins is shown.
Sugar signaling mediates cluster root．′Dr 打ロ灯D門口門dpカDらpカDr甜ぷSんぴVロfめ門・f門dむCPdg・P門P
White lupin plants were grown in vitro on P‑sufficient or P‑deficient media supplemented with sucrose for 4 weeks. Sucrose supply stimulated cluster root formation in plants on both P‑sufficient and P‑deficient media, but no cluster roots appeared on the P‑sufficient medium without sucrose. On the medium with sucrose, a high concentration of inorganic phosphate in leaves did not suppress cluster root formation. Because sorbitol or organic acid in the media did not stimulate cluster root formation, the sucrose effect was not due to increased osmotic pressure or enriched energy source, that is, sucrose acted as a signal. Gene transcription
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induced by P starvation, LaPTl and LaPEPC3, was magnified by the combination of P limitation and sucrose feeding, and that of LaSAP was stimulated by sucrose supply
independently of P supply. These results suggest that at least two sugar‑signaling mediating systems control P starvation responses in white lupin roots. One system regulates cluster root formation and LaSAP expression, which acts even when P is sufficient if roots receive sugar as a signal. The other system controls LaPTl and LaPEPC3 expression, which acts when P is insufficient.
Transcription of 60 genes encoding transcrリnD門カCfD朋伽dざ柳甜f昭p′Dセ淞
In the sugar mediating signaling cascades for P starvation responses in white lupin, a lot of transcription factors and signaling proteins are expected to be involved. A total of 60 cDNA fragments representing MYB‑CC (coiled coil) genes, R2R3MYB genes, other transcription factor genes and signaling protein genes were isolated from white lupin, and their transcription in normal roots, cluster roots, leaves and shoot tips was analyzed under P‑deficient and
P‑sufficient conditions. Five MYB‑CC genes isolated by using degenerated primers showed high homology with PHRl that regulates many P starvation responses in Arabidopsis. Their transcription was detected in all organs tested and was not affected by the presence or absence
of P. Twenty‑nine R2R3MYB genes were isolated by using degenerated pr:imers. Among them, transcription of LaMYB12 was enhanced by P‑starvation. Thirteen of other transcription factor
genes and 13 signaling protein genes were obtained from the cDNAlibrary. Among them, LaCaM encoding calmodulin protein was enhanced its transcription by P starvation. The correlation of these genes to P‑starvation response was discussed.
This work reveals a sugar signal that mediates P starvation resistance and provides candidate genes that regulate P deficiency responses. The identified sugar signal and candidate
genes expand the current information available on the regulation and signaling mechanisms during P deficiency in plants.
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学 位 論 文 審 査 の 要 旨 主査 教
副査 教 授 大崎 授 増田
満
清（北方生物圏フイールド 科 学 セ ン タ ー ）
副 査 教 授 山 岸 真 澄 副 査 教 授 渡 部 敏 裕
学 位 論 文 題 名
Signals and transcription factors involved in phosphorus starvation responses in white lupin
（ シ ロ バ ナ ル ー ピ ン の り ン 欠 乏 応 答 に 関 わ る シ グ ナ ル と 転 写 調 節 因 子 ）
本 論 文 は 英 文70頁 、 図15、 表3、4章 か ら な り 、 参 考 論 文1編 が 付 さ れ て い る 。 シ ロ バ ナ ル ー ピ ン （Lupinus albus L.)はり ン酸 欠乏 条件 下で クラ スタ ー根 を誘 導し 、 リ ン 酸 欠 乏 に 対 し て 強 い 耐 性 を 示 す 。 こ れ ま で り ン 酸 欠 乏 に 対 す る シ ロ バ ナ ル ー ピ ン の 応 答 に つ い て 様 々 な 研 究 が 行 わ れ て き た が 、 こ れ ら の 応 答 反 応 を 制 御 し て い る 機 構 に つ い て は ほ と ん ど 知 ら れ て い な か っ た 。 本 研 究 は 、 シ ロ バ ナ ル ー ピ ン に お い て り ン 酸 欠 乏 に 対 す る 応 答 反 応 を 制 御 し て い る シ グ ナ ル 物 質 を 明 ら か に し 、 か つ 、 転 写 調 節 遺 伝 子 の 単 離 を 行 い そ れ ら の 機 能 解 明 を 試 み た も の で あ る 。
1） 糖 シ グ ナ ル は ク ラ ス タ ー 根 の 誘 導 と り ン 酸 欠 乏 に よ り 誘 導 さ れ る 遺 伝 子 の 発 現 に 関 わ っ て い る
ク ラ ス タ ー 根 の 誘 導 や 根 に お い て り ン 酸 欠 乏 に よ り 誘 導 さ れ る 遺 伝 子 の 発 現 は 、 根 の 中 の り ン 酸 濃 度 に は ほ と ん ど 影 響 さ れ ず 、 葉 の り ン 酸 濃 度 の 低 下 に よ っ て 誘 導 さ れ る こ と が 知 ら れ て い る 。 こ の こ と は 何 ら か の シ グ ナ ル が 地 上 部 か ら 根 ヘ 送 ら れ て い る こ と を 示 し て い る 。 ア ラ ビ ド プ シ ス で は 糖 が こ の 情 報 伝 達 に 関 与 し て お り 、 本 研 究 で は シ ロ バ ナ ル ー ピ ン で も 糖 が 情 報 伝 達 に 関 わ っ て い る こ と を 示 し た 。 んvitroで 生 育 し た シ ロ バ ナ ル ー ピ ン に シ ョ 糖 、 ブ ド ウ 糖 、 ま た は 果 糖 を 与 え る と ク ラ ス タ ー 根 が 誘 導 さ れ た 。 こ の 誘 導 は 培 地 中 の り ン 酸 の 有 る 無 し に 関 わ ら ず 起 こ っ た 。 糖 以 外 の 炭 素 源 で は こ の 効 果 は 認 め ら れ な か っ た こ と よ り 、 糖 に よ る ク ラ ス タ ー 根 の 誘 導 は 、 浸 透 圧 や エ ネ ル ギ ー 源 の 増 加 に よ る も の で は な く 、 糖 が シ グ ナ ル と し て 作 用 し て 起 こ っ た も の と 考 え ら れ た 。 同 様 の 効 果 は り ン 酸 欠 乏 に よ り 誘 導 さ れ る 遺 伝 子 の 発 現 に も 認 め ら れ 、 糖 の 添 加 に よ っ て こ れ ら の 遺 伝 子 の 転 写 量 が 増 加 し た 。 こ の う ちLaSAPは り ン 酸 の 有 る 無 し に 関 わ ら ず 発 現 誘 導 が 起 こ り 、 一 方 、LaPT1とLaPEPC3は り ン 酸 欠 乏 条 件
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下 でのみ糖 添加によ る発現増加 が認めら れた。こ のことは糖が関与したシグナル伝達 系 は少な くとも2っ あることを 示唆して いる。ア ラビドプ シス以外 の植物で このよう な シグナル の存在を 示した例は ほとんど 無い。ク ラスター根を誘導するシロバナルー ピ ンとその ような特 殊な根を作 らないア ラビドプ シスが同じ物質をシグナルとして利 用 している ことは興 味深い。
2
）60
の 転 写 調節 遺伝子 の単離と発 現解析MYB
な ど の転 写 調節 因 子 やシ グ ナル 伝 達 に関 与 して い る タン パ ク をコ ー ドし てい る遺伝 子を、合 わせて60、 シロバナル ーピンよ り単離し 、発現プ ロファイルを明らか にした 。このよ うな遺伝 子をシロバ ナルーピ ンより単 離して解 析した例 はこれまでに 無い。中 で も 、5つ 単 離 され た
MYB‑CC (Coild Coil)
遺伝 子はアラ ビドプシ スのPHR1とい ずれも 高いホモ ロジーを 示した。PHR1タ ンパクは 、リン酸 欠乏によ り誘導される遺伝 子 のプ ロ モー タ ー 領域にあ るPHRl‑binding‑domainを認識 して転写 を調節して いる転 写調節 因子であ る。シロ バナルーピ ンのりン 酸欠乏に 応答する 遺伝子の プロモーター 領域にもPHRl‑binding‑domainがあることより、シロノくナノレーピンにおしヽてもPHR1類 似の転 写調節因 子がりン酸欠乏応答に重要な役割りを担っていると考えられる。今後、シ ロ バ ナ ル ー ピ ン か ら 単 離 し た
5
つ のMYB‑CC
遺 伝 子 の う ち ど の 遺 伝 子 がPHRl‑binding‑domain
と結合するか、調査する必要がある。シロ バナルー ピンを用 いてりン酸 獲得の機 構を明ら かにする研究はこれまで盛んに 行わ れ、多く の構造遺 伝子の単離 と機能解 析が行わ れてきたが、これらの遺伝子の発 現を 誘導する 情報伝達 系にっいて の研究は 少なかっ た。クラスター根の誘導は、葉の りン 酸レベル が低下す ることによ って誘導 されるが 、本研究はこの情報の伝達に糖が 関与 している ことを明 らかにした 。また、 シロバナ ルーピンから転写調節因子を単離 して 発現を解 析した研 究はこれが 初めてで 、本研究 は有用遺伝子の転写調節を解明す る今 後の研究 の足がか りと期待さ れる。
よっ て審査員 一同は、 周克琴が博 士（農学 ）の学位 を受けるのに十分な資格を有す るも のと認め た。
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