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Molecular mechanism of root development regulated by trafficking pathway via TGN/EE

松浦, 友紀 大阪大学 DOI:10.18910/82028

2021.03.24

概要

植物において、植物ホルモンであるオーキシンの勾配は発生と生長に大きな影響を及ぼす。オーキシン排出タンパク質であるPINタンパク質はオーキシンの極性輸送を制御しオーキシンの勾配を確立することで、特定の組織においてオーキシン応答性遺伝子の発現を誘導し発生を制御している。しかし、オーキシンの勾配を確立する分子機構は十分に理解されていない。

トランスゴルジ網における膜交通は、様々な膜貫通蛋白質を目的地に輸送するために重要な役割を果たす。PINタンパク質は、エンドソームと細胞膜の間を恒常的に輸送されその極性を維持している。先行研究によって単離されたBFA-visualized endocytic trafficking defective 1 (ben1)単独変異体、ben2単独変異体、ben3単独変異体は、PINタンパク質の小胞輸送に異常を示す。これらの変異の原因遺伝子は、ARF GEF (BEN1, BEN3)とSec1-Munc18タンパク質 (BEN2/VPS45)という、初期エンドソームに局在する膜輸送因子をコードすることが示されている。ARF GEFはARFを活性型にすることによって小胞の出芽を、Sec1-Munc18はQ-SNAREと結合することによって小胞の融合を促進すると考えられている。単独変異体は個体の発生に大きな異常は示さないが、ben1; ben2二重変異体はPINタンパク質の局在に異常を示し、主根が短く、側根の密度が高いといった多面的な異常を示す。よって、ben1; ben2二重変異体は、膜交通がオーキシンの勾配を介して個体全体の発生を制御する分子機構を解析する上で、良いモデルであると判断した。まず、ben1; ben2二重変異体の発生異常の原因を解明するために、PINタンパク質の発現の変化とオーキシンの合成阻害に対する応答を観察した。野生型植物はそれぞれの操作によって根の伸長が著しく阻害されたのに対して、ben1; ben2二重変異体では根の伸長がほとんど阻害されなかった。このことからben1; ben2二重変異体ではPINタンパク質に依存したオーキシンの勾配の異常によって、主根の伸長が阻害され側根の密度が上昇していることが示唆された。

また、オーキシンの勾配を確立する分子機構を解明するために、BEN遺伝子の機能解析を行った。ben1; ben2二重変異体でBEN2が組織特異的に発現する形質転換植物を作出し、根の発生と生長に関する表現型の解析を行った。その結果、根端の中心部分で発現するBEN2が、主根の伸長と側根密度の調整に重要な役割を果たすことがわかった。加えて、新規に合成されたPINタンパク質の挙動の観察により、BEN3がTGN/EEから細胞膜に向かうBFA感受性のPIN輸送経路に重要な役割を持っていることが示された。

さらに、植物の根は栄養状態によって根の形態を著しく変化させる。その中でもリンが欠乏すると主根の伸長が抑制され側根の形成が促進されることによってben1; ben2二重変異体と似た根の形態を示す。BENがリン欠乏応答に関与する機能を持っているのかを検証するため、ben1; ben2二重変異体が通常の培地上でリン欠乏応答を引き起こしているのかを調べた。通常の培地上で生育したben1; ben2二重変異体の根端ではリン欠乏時に見られる鉄の過剰な蓄積が検出されたため、ben1;ben2二重変異体はリンの存在下でリン欠乏応答が起こっていることが示唆された。

以上の結果により、本研究ではトランスゴルジ網に局在するBEN遺伝子がPINタンパク質の輸送を介して根の形態を制御することが示された。そしてBEN2遺伝子は根端の中心部分でのみこの分子機構が機能することによってオーキシンの勾配が確立され根の全体の形態が制御されることが示された。

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参考文献

Abas, L., Benjamins, R., Malenica, N., Paciorek, T., Wiśniewska, J., Moulinier-Anzola,J. C., et al. (2006). Intracellular trafficking and proteolysis of the Arabidopsis auxin- efflux facilitator PIN2 are involved in root gravitropism. Nat. Cell Biol. 8, 249–256. doi: 10.1038/ncb1369

Ashraf, M. A., and Rahman, A. (2019). Cold stress response in Arabidopsis thaliana is mediated by GNOM ARF-GEF. Plant J. 97, 500–516. doi: 10.1111/tpj.14137

Banda, J., Bellande, K., von Wangenheim, D., Goh, T., Guyomarc'h, S., Laplaze, L., et al. (2019). Lateral Root Formation in Arabidopsis: A Well-Ordered LRexit. Trends Plant Sci. 24, 826–839. doi: 10.1016/j.tplants.2019.06.015

Blilou, I., Xu, J., Wildwater, M., Willemsen, V., Paponov, I., Frimi, J., et al. (2005). The PIN auxin efflux facilitator network controls growth and patterning in Arabidopsis roots. Nature 433, 39–44. doi: 10.1038/nature03184

Casanova-Sáez, R., and Voß, U. (2019). Auxin Metabolism Controls Developmental Decisions in Land Plants. Trends Plant Sci. 24, 741–754. doi: 10.1016/j.tplants.2019.05.006

Clough, S. J., and Bent, A. F. (1998). Floral dip: A simplified method for Agrobacterium- mediated transformation of Arabidopsis thaliana. Plant J. 16, 735–743. doi: 10.1046/j.1365-313x.1998.00343.x

Colón-Carmona, A., You, R., Haimovitch-Gal, T., and Doerner, P. (1999). Spatiotemporal analysis of mitotic activity with a labile cyclin-GUS fusion protein. Plant J. 20, 503–508. doi: 10.1046/j.1365-313x.1999.00620.x

Dello Ioio, R., Nakamura, K., Moubayidin, L., Perilli, S., Taniguchi, M., Morita, M. T., et al. (2008). A genetic framework for the control of cell division and differentiation in the root meristem. Science 322, 1380–1384. doi: 10.1126/science.1164147

Ericsson, T. (1995) Growth and shoot: root ratio of seedlings in relation to nutrient availability. Plant Soil 168, 205–214 (1995). doi: 10.1007/BF00029330

Friml, J., Vieten, A., Sauer, M., Weijers, D., Schwarz, H., Hamann, T., et al. (2003). Efflux-dependent auxin gradients establish the apical-basal axis of Arabidopsis. Nature 426, 147–153. doi: 10.1038/nature02085

Fukaki H, Tameda S, Masuda H, Tasaka M. Lateral root formation is blocked by a gain- of-function mutation in the SOLITARY-ROOT/IAA14 gene of Arabidopsis. Plant J. 2002 Jan;29(2):153-68. doi: 10.1046/j.0960-7412.2001.01201.x.

Geldner, N., Anders, N., Wolters, H., Keicher, J., Kornberger, W., Muller, P., et al. (2003). The Arabidopsis GNOM ARF-GEF mediates endosomal recycling, auxin transport, and auxin-dependent plant growth. Cell 112, 219–230. doi: 10.1016/S0092-8674(03)00003- 5

Grunewald, W., and Friml, J. (2010). The march of the PINs: developmental plasticity by dynamic polar targeting in plant cells. EMBO J. 29, 2700–2714. doi: 10.1038/emboj.2010.181

Heisler, M. G., Ohno, C., Das, P., Sieber, P., Reddy, G. V., Long, J. A., et al. (2005). Patterns of auxin transport and gene expression during primordium development revealed by live imaging of the Arabidopsis inflorescence meristem. Curr. Biol. 15, 1899–1911. doi: 10.1016/j.cub.2005.09.052

Hellens, R. P., Anne Edwards, E., Leyland, N. R., Bean, S., and Mullineaux, P. M. (2000). pGreen: A versatile and flexible binary Ti vector for Agrobacterium mediated plant transformation. Plant Mol. Biol. 42, 819–832. doi: 10.1023/A:1006496308160

Huang, F., Zago, M. K., Abas, L., Marion, A., Van, Galván-ampudia, C. S., van Marion, A., et al. (2010). Phosphorylation of conserved PIN motifs directs Arabidopsis PIN1 polarity and auxin transport. Plant Cell 22, 1129–1142. doi: 10.1105/tpc.109.072678

Kitakura, S., Adamowski, M., Matsuura, Y., Santuari, L., Kouno, H., Arima, K., et al. (2017). BEN3/BIG2 ARF GEF is involved in brefeldin a-sensitive trafficking at the trans-golgi network/early endosome in arabidopsis thaliana. Plant Cell Physiol. 58, 1801–1811. doi: 10.1093/pcp/pcx118

Kleine-Vehn, J., Dhonukshe, P., Sauer, M., Brewer, P. B.,Wiśniewska, J., Paciorek, T., et al. (2008). ARF GEF-Dependent Transcytosis and Polar Delivery of PIN Auxin Carriers in Arabidopsis. Curr. Biol. 18, 526–531. doi: 10.1016/j.cub.2008.03.021

Kurihara, D., Mizuta, Y., Sato, Y., and Higashiyama, T. (2015). ClearSee: a rapid optical clearing reagent for whole-plant fluorescence imaging. Development 142, 4168–4179. doi: 10.1242/dev.127613

Ljung, K., Hull, A. K., Celenza, J., Yamada, M., Estelle, M., Normanly, J., et al. (2005). Sites and regulation of auxin biosynthesis in arabidopsis roots. Plant Cell 17, 1090–1104. doi: 10.1105/tpc.104.029272

Miyashima, S., Koi, S., Hashimoto, T., and Nakajima, K. (2011). Non-cell-autonomous microRNA 165 acts in a dose-dependent manner to regulate multiple differentiation status in the Arabidopsis root. Development 138, 2303–2313. doi: 10.1242/dev.060491

Mockaitis, K., and Estelle, M. (2008). Auxin receptors and plant development: a new signaling paradigm. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 24, 55–80. doi: 10.1146/annurev.cellbio.23.090506.123214

Mravec, J., Kubeš, M., Bielach, A., Gaykova, V., Petrášek, J., Skůpa, P., et al. (2008). Interaction of PIN and PGP transport mechanisms in auxin distribution dependent development. Development 135, 3345–3354. doi: 10.1242/dev.021071

Müller J, Toev T, Heisters M, Teller J, Moore KL, Hause G, Dinesh DC, Bürstenbinder K, Abel S. Iron-dependent callose deposition adjusts root meristem maintenance to phosphate availability. Dev Cell. 2015 Apr 20;33(2):216-30. doi: 10.1016/j.devcel.2015.02.007.

Naramoto, S., Otegui, M. S., Kutsuna, N., de Rycke, R., Dainobu, T., Karampelias, M., et al. (2014). Insights into the localization and function of the membrane trafficking regulator GNOM ARF-GEF at the Golgi apparatus in Arabidopsis. Plant Cell 26, 3062– 3076. doi: 10.1105/tpc.114.125880

Péret B, Clément M, Nussaume L, Desnos T. Root developmental adaptation to phosphate starvation: better safe than sorry. Trends Plant Sci. 2011 Aug;16(8):442-50. doi:10.1016/j.tplants.2011.05.006.

Perilli S, Di Mambro R, Sabatini S. Growth and development of the root apical meristem. Curr Opin Plant Biol. 2012 Feb;15(1):17-23. doi: 10.1016/j.pbi.2011.10.006.

Petricka, J. J., Winter, C. M., and Benfey, P. N. (2012). Control of Arabidopsis Root Development. Annu. Rev. Plant Biol. 63, 563–590. doi: 10.1146/annurevarplant- 042811-105501

Rahman, A., Bannigan, A., Sulaman, W., Pechter, P., Blancaflor, E. B., and Baskin, T. (2007). Auxin, actin and growth of the Arabidopsis thaliana primary root. Plant J. 50, 514–528. doi: 10.1111/j.1365-313X.2007.03068.x

Rosner , B. (2010) Fundamentals of Biostatistics, 7th edition. Cengage Lerning, Inc.

Sauer, M., and Kleine-Vehn, J. (2019). PIN-FORMED and PIN-LIKES auxin transport facilitators. Development 146, dev168088. doi: 10.1242/dev.168088

Sebastian, J., Ryu, K. H., Zhou, J., Tarkowská, D., Tarkowski, P., Cho, Y. H., et al. (2015). PHABULOSA Controls the Quiescent Center-Independent Root Meristem Activities in Arabidopsis thaliana. PloS Genet. 11, 1–27. doi: 10.1371/journal.pgen.1004973

Singh,M. K., Richter, S., Beckmann, H., Kientz,M., Stierhof, Y. D., Anders, N., et al. (2018). A single class of ARF GTPase activated by several pathway-specific ARFGEFs regulates essential membrane traffic in Arabidopsis. PloS Genet. 14, e1007795. doi: 10.1371/journal.pgen.1007795

Sugawara, S., Mashiguchi, K., Tanaka, K., Hishiyama, S., Sakai, T., Hanada, K., et al. (2015). Distinct Characteristics of Indole-3-Acetic Acid and Phenylacetic Acid, Two Common Auxins in Plants. Plant Cell Physiol. 56, 1641–1654. doi: 10.1093/pcp/pcv088

Takahashi, N., Kajihara, T., Okamura, C., Kim, Y., Katagiri, Y., Okushima, Y., et al. (2013). Cytokinins control endocycle onset by promoting the expression of an APC/C activator in arabidopsis roots. Curr. Biol. 23, 1812–1817. doi: 10.1016/.cub.2013.07.051

Tanaka, H., Dhonukshe, P., Brewer, P. B., and Friml, J. (2006). Spatiotemporal asymmetric auxin distribution: A means to coordinate plant development. Cell Mol. Life Sci. 63, 2738–2754. doi: 10.1007/s00018-006-6116-5

Tanaka, H., Kitakura, S., De Rycke, R., De Groodt, R., and Friml, J. (2009). Fluorescence Imaging-Based Screen Identifies ARF GEF Component of Early Endosomal Trafficking. Curr. Biol. 19, 391–397. doi: 10.1016/j.cub.2009.01.057

Tanaka, H., Kitakura, S., Rakusová, H., Uemura, T., Feraru, M. I., de Rycke, R., et al. (2013). Cell Polarity and Patterning by PIN Trafficking through Early Endosomal Compartments in Arabidopsis thaliana. PloS Genet. 9, e1003540. doi: 10.1371/journal.pgen.1003540

Tanaka, H., Nodzynski, T., Kitakura, S., Feraru, M. I., Sasabe, M., Ishikawa, T., et al. (2014). BEX1/ARF1A1C is required for BFA-sensitive recycling of PIN auxin transporters and auxin-mediated development in arabidopsis. Plant Cell Physiol. 55, 737–749. doi: 10.1093/pcp/pct196

Uemura T, Kim H, Saito C, Ebine K, Ueda T, Schulze-Lefert P, Nakano A. Qa-SNAREs localized to the trans-Golgi network regulate multiple transport pathways and extracellular disease resistance in plants. Proc Natl Acad Sci U S A. 2012 Jan 31;109(5):1784-9. doi: 10.1073/pnas.1115146109.

Vanneste, S., and Friml, J. (2009). Auxin: A Trigger for Change in Plant Development. Cell 136, 1005–1016. doi: 10.1016/j.cell.2009.03.001

Vieten, A., Vanneste, S., Wiśniewska, J., Benková, E., Benjamins, R., Beeckman, T., et al. (2005). Functional redundancy of PIN proteins is accompanied by auxin dependent cross-regulation of PIN expression. Development 132, 4521–4531. doi: 10.1242/dev.02027

Wiśniewska, J., Xu, J., Seifertová, D., Brewer, P. B., Ruůžička, K., Blilou, I., et al. (2006). Polar PIN Localization Directs Auxin Flow in Plants. Science 312, 883. doi: 10.1126/science.1121356

Wolters, H., Anders, N., Geldner, N., Gavidia, R., and Jürgens, G. (2011). Coordination of apical and basal embryo development revealed by tissue specific GNOM functions.Development 138, 117–126. doi: 10.1242/dev.059147

Xuan, W., Band, L. R., Kumpf, R. P., Van Damme, D., Parizot, B., De Rop, G., et al. (2016). Cyclic programmed cell death stimulates hormone signaling and root development in Arabidopsis. Science 351, 384–387. doi: 10.1126/science.aad2776

Yang, X., Dong, G., Palaniappan, K., Mi, G., and Baskin, T. I. (2017). Temperature compensated cell production rate and elongation zone length in the root of Arabidopsis thaliana. Plant Cell Environ. 40, 264–276. doi: 10.1111/pce.12855

Zhang, X., Adamowski, M., Marhava, P., Tan, S., Zhang, Y., Rodriguez, L., et al. (2020). Arabidopsis Flippases Cooperate with ARF GTPase Exchange Factors to Regulate the Trafficking and Polarity of PIN Auxin Transporters. Plant Cell 32, 1644–1664. doi: 10.1105/tpc.19.00869

Zwiewka, M., Bilanovičová, V., Seifu, Y. W., and Nodzyński, T. (2019). The Nuts and Bolts of PIN Auxin Efflux Carriers. Front. Plant Sci. 10, 985. doi: 10.3389/fpls.2019.00985

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