森林は世界の陸地面積の30％を占め、森林面積は約40億haあり、その5％が植林地である。森林は化石燃料に代替する再生可能なバイオマス資源として期待され、炭酸ガスの固定に関してもその役割が注目されている。日本の製紙会社は製紙原料を安定確保するために、積極的に海外植林事業を進めてきた。特にユーカリ属樹木は成長が早く繊維成分が多いため、パルプ原料として植林されている。近年、バイオ燃料の原料としてもユーカリは注目され、ゲノムプロジェクトも進行している。当研究所も、植林地における効率的なバイオマス生産を目的に、乾燥害や塩害などの環境ストレスに強いユーカリの育種を進めている。オーストラリアの植林地から幾つかのユーカリ系統をクローン化して温室で育てた苗を材料に、乾燥害や塩害のストレス耐性を試験した。その結果、乾燥害に耐性の強い耐性の弱い系統と比較して、ストレス下での光合成活性などに差が見られた。現在、植林地において、ストレス耐性と成長度との相関を調査している。また、遺伝子組換え技術を利用したストレス耐性ユーカリの育種にも取組んでいる。土壌細菌Arthrobactor globiformis由来のコリンオキシダーゼ遺伝子を導入した遺伝子組換えユーカリを作成して、評価試験を行っている。

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藻類は陸上植物と比べて20倍～700倍のオイル量を生産する高い能力をもっている。藻類のオイル産生能力は種や培養株によって異なるが、主要な種では、乾燥重量あたり15-75%がオイル分で占められている。特に緑藻類Botryococcusは、炭化水素オイルを大量に産生し、細胞外に分泌する。ボトリオコッカスの培養株によってオイル産生能、増殖能がかなり異なるため、開発対象となる培養株としては、増殖とオイル産生のバランスがよく、CO₂が溶け込みやすいアルカリに至適pHがあるものが選抜された。また、有機排水1～10%を含む培養液で弱光下でも良好な増殖を示す。このボトリオコッカスからのエネルギー生産システムをモデル化して、全プロセスにおけるエネルギー収支、コスト収支を算定したところ、獲得エネルギー量は消費エネルギーよりも多いが、オイルの生産コストは開放系で155円／Lとなり、閉鎖系フォトリアクターで培養すると800円／L以上となる。ボトリオコッカスのオイルを石油代替資源として市場で流通させるには、オイル生産効率を一桁アップする必要がある。
オイル生産効率が一桁アップに成功し、実用化された場合には、25万haの面積で日本における原油輸入量をまかなうことができるようになり、安定した経済基盤により支えられた低炭素社会が実現するはずである。

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地球上のバイオマスの99％は木質（リグノセルロース）であり、その大半は樹木によって生産されている。しかしながら、わが国にはバイオ燃料にまわせる大量のバイオマスがなく、それを効率的に栽培する土地を確保することも難しい。従って、将来的にバイオエタノールの生産は、海外、特に植物の成長が活発な赤道直下の東南アジアが適地と考えられる。一方、東南アジアの熱帯天然林は乱伐により減少しているが、現地政府主導による大規模な人工植林により、広大な産業林が構築されつつある。
木質は構造的に糖化酵素によって分解されにくい。しかしながら、セルロースの完全分解物はグルコースであり、これを醗酵させるとバイオエタノールやバイオプラスチックなど石油由来のナフサ（ガソリンなど）の代りになる。ポプラでは、遺伝子組換え法により、リグニン量を減少させると糖化性を上げられることは知られている。また、ヘミセルロースの構成分解によっても糖化性を上げられることが分かってきた。組換えポプラで得られた木質の糖化レベル向上の成果を熱帯早生樹（ファルカータ、アカシア、ユーカリ）の遺伝的改良に生かす試みを紹介する。

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Seed dormancy is a poorly understood process. To identify molecular components that regulate seed dormancy, we screened T-DNA insertion lines and identified a mutant designated honsu (hon). HON loss-of-function mutants display deep seed dormancy, whereas HON-overexpressing lines display shallow seed dormancy. HON encodes a seed-specific group A phosphatase 2C (PP2C) and is the major negative regulator of seed dormancy among group A PP2Cs. Like other PP2C family members, HON interacts with PYR1/RCAR11 in the presence of abscisic acid (ABA). Our analysis indicates that HON inhibits ABA signaling and activates gibberellin (GA) signaling, and both of these conditions must be satisfied to promote the release of seed dormancy. However, activation of GA signaling by HON is an indirect effect attributable to weakened ABA signaling. HON mRNA levels are increased in mutants displaying shallow seed dormancy or under conditions that promote the release of seed dormancy, and decreased in mutants displaying deep seed dormancy or under conditions that deepen seed dormancy. Taken together, our results indicate that seeds homeostatically regulate dormancy by adjusting the level of HON.

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冬型草本や夏型草本において、温度は種子発芽の季節を決める主要な環境要因である。シロイヌナズナなどの冬型草本種子は春に散布されるが、夏の間は高温により発芽が抑制されるため、生育に適した秋に発芽することが可能となっている。一方、高温や低温は作物種子の発芽を阻害し、その生産効率を大きく低下させる原因となっている。私達はシロイヌナズナを材料とし、恒明条件において、高温はアブシシン酸（ABA）合成酵素をコードするNCED9遺伝子の発現を上昇させ、ABAの作用を介して発芽を抑制することを明らかにした。一方、赤色光パルス照射条件ではABA欠損突然変異種子の発芽も高温で抑制されることから、ABA以外の発芽抑制因子の関与が示唆された。フィトクロムと相互作用する転写制御因子、PIL5は光による発芽制御に働く。PIL5遺伝子の機能喪失突然変異体を用いた解析から、赤色光パルス照射条件では、高温はPIL5タンパク質の作用を介して発芽を抑制すると考えられた。また、最近芽生えの高温応答に関わることが示されたPIF4も、発芽の高温阻害に働くことを示す結果を得ている。では、温度はどのようにしてNCED9遺伝子やPIL5、PIF4遺伝子の働きを制御しているのだろうか？ここでは高温による発芽抑制機構について、今後の展望も含めて議論する。

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シロイヌナズナのアクセッションCviは、一般に良く使われるCol、Ler等のアクセッションに比べて高い休眠性を示す。Cviの一次休眠は種皮に大きく依存する。すなわち、吸水後に一次休眠しているCviの種皮を取り除くと胚が成長を開始する（発芽する）。吸水種子の低温処理により休眠性が解除されることが知られている。Cviにおいても比較的短期間（数日）の低温処理よって一次休眠が解除されるが、長期（数週間）の吸水低温処理によって二次休眠が誘導された。興味深いことに、この二次休眠種子は種皮を取り除いても胚が成長を開始しないことから、胚自身が休眠性を有していると考えられる。ここでみられる低温による二次休眠の誘導は、アブシジン酸（ABA）生合成阻害剤フルリドン処理により部分的に阻害されたことから、ABAが胚の二次休眠性の誘導に関与している可能性が示された。しかしながら、異なるアクセッションの間で種子休眠性と内生ABA量に相関が見られないことから、種子休眠性は複数の要因の組み合わせによって決定されていると考えられる。種子休眠性の制御と内生ABA量との関連性を明らかにするため、強い胚休眠性を示すとともにABAを高濃度に蓄積するアクセッションを用いたQTL解析を進めている。

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今後の世界人口増加に対し、食料の安定生産を行うことが必要である。イネ、コムギ、トウモロコシの穀物は人類にとって重要な食料であり、その安定生産を可能とする形質の付与は重要な育種目標である。不良環境下での安定した種子発芽を品種に付与することで、安定生産および栽培地域の拡大が行える。本発表では、イネから単離された種子発芽に関する遺伝子qLTG3-1をもとに、コムギ、トウモロコシを含む穀物の種子発芽について考察する。qLTG3-1は低温下で優れた発芽性（低温発芽性）を示す作用力の大きな量的遺伝子座（Quantitative Trait Loci）として同定された。原因遺伝子は機能未知のタンパク質をコードしているが、種子発芽時に胚を覆う組織で特異的な遺伝子発現が認められた。主要穀物はいずれも単子葉植物であるものの、種子の形態は大きく異なっている。qLTG3-1の組織特異的な遺伝子発現および種子発芽時の組織観察から、本遺伝子の種子発芽における役割を推察し、コムギ、トウモロコシとの比較について論じる。

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降雨などにより収穫前に発芽する穂発芽は収穫物の品質を大きく損なうことから作物の改良にとって重要な課題であり、強い種子休眠性を付与することが穂発芽を防ぐ上で有効である。種子休眠性は複数の遺伝子のより制御される量的形質である。我々は種子休眠の制御機構を理解するため量的形質遺伝子(QTL)の単離に取り組んでいる。これまでにKasalathから5つのQTLを検出し報告してきたが、近年はさらに日本稲／日本稲、日本稲／インド稲、さらには日本稲／野生イネの交配により作られた染色体断片置換系統を利用することによりハバタキやNonaBokra、そして、野生イネからもQTLを検出している。その一つであるSdr4に関しては単離に成功し、報告してきた。また、ハバタキの染色体断片置換系統から見出された穂発芽耐性QTLであるSdr7は第1染色体に座乗し、4600の大規模集団を用いたマッピングの結果、その候補領域を24.5kbに狭めることに成功している。この領域に相当するハバタキゲノム配列を解読した結果、当該領域にはハバタキに特有の配列が存在し、その配列はシロイヌナズナで報告されている種子休眠性に係わる遺伝子の同祖体であった。
今回、自然変異を利用した種子休眠性の遺伝学的な解剖と遺伝子単離・機能解析により種子休眠ネットワークを明らかにする試みについてご紹介したい。

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種子形成により一旦中断した高等植物の発生は、種々の環境条件に依存しながら発芽という形で再開される。発芽を境にそこで働く遺伝子プログラムは劇的に変化する。この遺伝子プログラムの変更には、種子を特徴づける遺伝子の発現停止と、胚発生過程で抑制されていた発芽後成長遺伝子プログラムの始動という2つの要素が含まれる。シロイヌナズナの種子成熟の司令塔とも呼ばれるLEC（LEAFY COTYLEDON）因子群（FUS3、LEC1およびLEC2）の変異体は、種子成熟を特徴づける事象に広範な影響を及ぼす一方、子葉の本葉化や種子成熟過程での茎頂および根端メリステムの活性化などのヘテロクロニックな性質を示す。これら変異体のトランスクリプトーム解析を行ったところ、変異体の未熟胚では子葉・葉形質関連遺伝子のみならず、幼植物で発現する広範な遺伝子の発現が顕著に増加していた。このような発芽後成長プログラムの異時発現はハート胚以前に始まることなどから、発芽後成長プログラムは、胚発生あるいは種子形成過程においてLEC遺伝子群の働きにより積極的に抑制されていることが示唆される。したがって、このような抑制メカニズムの解明は休眠・発芽メカニズムの理解にも直結すると思われる。これらの解析や種々のトランスクリプトームデータの解析をもとに、遺伝子プログラムの変更という視点から種子の休眠と発芽について考察したい。

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The completion of the human genome project opened the new era where various biological phenomena are elucidated with massive molecular data. Although many things have been elucidated with the massive data, the data were obtained by averaging ensembles of cells which may mask important information on a real life system. These days, many people want to analyze single-cells because heterogeneity in cell pools sometimes plays important roles in a life system. However, the analysis methods for single-cells are limited now. The next generation DNA sequencer can be used for that, however, only a part of mRNA in a single-cell can be analyzed.
We have developed a new accurate quantitative analysis method for mRNA in single-cells. It uses q-PCR coupled with a single-cell cDNA library for analyzing multiple gene expression levels in single-cells. As its ability is very high, it can analyze mRNA as small as several copies in a single-cell. We are making a tool to easily carry out the accurate multiple gene expression analysis with the method. The technology and its applications will be presented in the symposium.

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Recently, MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization) imaging mass spectrometry has been a powerful tool to map spatial distribution of molecules on the surface of materials. In sample preparation in MALDI imaging mass spectrometry, in principle, sample is not purified prior to the analysis, so MALDI process generates mixture of various different molecular ions. To distinguish these ions to identify unknown molecular species exist on the sample surface, ultra-high resolution and ultra-high mass accuracy is required. To achieve high spacial resolution of MALDI imaging mass spectrometry, the LASER spot size should be smaller enough. However, smaller LASER spot size also decreases the ablated material amount, causing worse overall sensitivity. To overcome such problems, we developed new microscope MALDI ion source and built-in to the commercial Q-FTICR-MS. The combination of matrix compounds which absorb UV (Ultra-Violet) light and short pulsed UV-LASER is difficult to be applied simply to plant tissue slices, in some fundamental issues. We describe our approach towards identifying and locating unknown molecular species in plat tissue slices.

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In the next generation of structural studies of biological samples, coherent X-ray diffraction microscopy (CXDM) technique will provide a novel tool to visualize non-crystalline biological particles, which are, in principle, unable to be crystallized. For the diffraction patterns recorded using coherent and highly brilliant X-rays, the phase-retrieval algorithm reconstructs the electron density distribution within the samples directly. Toward the utilization of this technique in biological field, we are developing an X-ray diffraction apparatus for micro to sub-micrometer biological samples at cryogenic temperatures. In the talk, I would like to introduce the theoretical background of the image reconstruction from the diffraction patterns and the details of the diffraction apparatus.

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When an intense femtosecond laser pulse is focused into biological tissue or cells through an objective lens, local disruption and/or explosion is induced at the laser focal point with an effective multiphoton absorption. Especially, since the time duration of the femtosecond laser pulse is extremely shorter than the time scale to convert from the light energy to the heat energy, the disruption and explosion are initiated in the time scale before the heat conversion. Namely, the local disruption and explosion with less heating are realized by the femtosecond laser irradiation. Previously, we have developed manipulation and stimulation techniques for single animal cells by utilizing these phenomena. Here I present our new trial to apply these techniques to plant cells or tissue. We have succeeded in function inhabitation of a plant by drilling a part of the tissue and single cell dissection and isolation by scanning the laser on the tissue. Furthermore, we are proposing techniques to stimulate a plant cell mechanically by the local explosion and to introduce outside molecules into the cell.

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Temporal induction of gene expression is an important technique to examine cell lineage, gene function and intercellular communication in vivo. In many species, several gene induction systems were reported already, such as steroid hormone, ethanol, and heat shock. Recently, we have developed a new method of gene induction in a single cell of living organisms using an infrared laser-evoked gene operator (IR-LEGO) system. We have chose heat shock system for temporal induction, because almost all species such as animals and plants have the system. And we have employed infrared laser for heating cell, since the light can heat water molecules effectively and does not induce photochemical reaction which produces radicals. We reported the application of IR-LEGO to some species including Arabidopsis. In transgenic plant line for HSP 18.2 promoter : GUS, we successfully induced gene expression in a single cell of a seedling. Furthermore, we have succeeded constitutive gene expression in single-cell using cre/loxP recombination system. IR-LEGO has the potential to be a useful tool in extensive research fields for cell marking or targeted gene expression in the plant.

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Plant cells exhibit highly dynamic protein and membrane trafficking pathways. Many key protein and membrane sorting events occur in very small compartments or even in subdomains within an organelle, which makes their visualization by light microscopy very challenging. To analyze the endosomal sorting of plasma membrane proteins for degradation and the vacuolar transport of storage proteins in seeds, we perform dual-axis electron tomography of high-pressure frozen/freeze substituted plant material. We obtain 3D reconstructions of large areas of the cells containing organelles of interest and subject them to segmentation, model calculation, and quantitative analysis. Electron tomography in combination with structural pattern recognition of known macromolecular complexes and/or immunogold labeling allow for the correlation between structure and biochemical composition. Several examples on how these imaging approaches have been applied to the understanding of plant trafficking pathways will be discussed.

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はじめに
最近、植物の遺伝子発現制御に負の制御因子（ネガティブレギュレーター）が関与している報告が多くなされている。また、転写活性化因子を人為的に転写抑制因子に改変したキメラリプレッサーを発現する植物では、誘導された形質に関わる一群の遺伝子発現が上昇している現象がTCP転写因子などを含め、頻繁に見られる。これらのことは、植物には、負の制御機構が多く存在し、それらが正の制御機構と競合、協調して遺伝子発現を調節し、多様な応答制御、パターン形成、および恒常性の維持を担っていると考えられる。遺伝子発現の負の制御は、転写抑制因子による転写抑制、miRNA等による転写後の調整、タンパク質レベルでの分解制御、およびクロマチン修飾などが上げられる。しかし、ネガティブレギュレーターの制御機能と個々の役割についてはあまり判っていない。本シンポジウムでは、葉と花の器官形成、花原器制御、塩ストレス応答、ジベレリン応答および概日リズム形成に関わる負の制御機構について紹介し、ネガティブレギュレーターがこれらの現象にどの様に関与しているか、それらの機能と役割について議論する。

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Plants exploit numerous strategies to adapt to changes in their environment. The development of plants with enhanced tolerance to abiotic environmental stress, such as drought, salinity and heat stress should enhance crop yield. Regulators of transcription are important in the acclimation of plants to environmental stresses, and several have been shown to confer tolerance to abiotic stress. Because some loss-of-function mutants have elevated tolerance to abiotic stresses, we postulated that application of CRES-T (Chimeric REpressor gene Silencing Technology) might allow the generation of factors that can improve tolerance to abiotic stress. We show here that five independent chimeric repressors derived from MYB, NAC, GARP, C2H2ZnF and ERF transcription factors confer tolerance to salt or osmotic stress in Arabidopsis. We also show that chimeric repressors derived from rice homologs of two of these factors confer salt tolerance on rice plants. Furthermore, negative regulator(s) that is involved in abiotic stress tolerance will be discussed.

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Coordination of the maintenance of the undifferentiated fate in the shoot meristem and the promotion of cellular differentiation in organs is essential for the development of plant shoots. CINCINNATA-like (CIN-like) TCP transcription factors are involved in this coordination via the negative regulation of CUP-SHAPED COTYLEDON (CUC) genes, which regulate the formation of shoot meristems and the specification of organ boundaries. However, the mechanism of this negative regulation is poorly understood. We show here that TCP3, a model of CIN-like TCPs of Arabidopsis, directly activates the expression of genes for miR164, ASYMMETRIC LEAVES1 (AS1), IAA3/SHY2, and SAUR proteins. Gain of function of these genes resulted in the fusion of cotyledons and the defect of shoot meristems, whereas their loss of function induced ectopic CUC expression in leaves. Our results indicate that miR164, AS1, IAA3/SHY2, and SAUR partially but cooperatively suppress the CUC expression. Since CIN-like TCP genes act dose-dependently in the leaf differentiation, we propose that CIN-like TCPs have important roles to generate different leaf forms, without having any lethal effects on shoots.

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2000年に植物特有の転写抑制因子が初めて発見され、翌年、転写抑制ドメインEAR-motifが同定された。現在、これを改変した強力な転写抑制ドメイン(SRDX)を用い、優勢的に機能欠損を誘導するCRES-T法が転写制御因子研究に用いられている。一方で、シロイヌナズナの全転写制御因子の1割強を占めると予測されるネイティブの転写抑制因子についてはあまり知見がない。その一因は転写抑制因子の解析手法が確立されていないことにある。我々は現在、複数の転写抑制因子の解析を行なっており、今回はWUSCHEL (WUS)を例として転写抑制因子研究の一端を紹介する。
植物の幹細胞制御に関わるWUSは非常に特殊な転写抑制因子である。まずWUSには2つの転写抑制ドメイン（WUS-boxとEAR-motif）が存在しているが、WUS-boxのみがWUSの機能の全てに必須である。そのため、WUS-boxに変異をもつWUSm1はwus-1を全く相補できない。しかし、SRDXを融合したWUSm1SRDXは幹細胞制御に関する機能を相補したことから、幹細胞制御に関してはWUSの転写抑制活性が重要であることがわかった。一方でAGに対する制御はWUSm1にアクティベーションドメインVP16を融合した場合にのみ相補された。これらの結果はWUSがターゲットにより転写活性化と抑制の両方を行なう転写制御因子であることを示していた。

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Floral stem cell activity is terminated in flower development. The negative feedback loop of the stem cell determinant WUSCHEL (WUS) and the floral homeotic protein AGAMOUS (AG) plays a major role for the meristem determinacy control in Arabidopsis. AG is directly induced by WUS in the center of floral primordia. WUS and AG are co-expressed for about two days, and then AG represses WUS expression to terminate the stem cell activity. We recently showed that KNUCKLES (KNU), a C2H2-type zinc finger protein is a direct target of AG, mediating the repression of WUS. We show that the KNU locus contains the repressive histone mark H3Lys27 tri-methylation (H3K27me3) and that the AG-dependent removal of the mark happens in a cell-cycle dependent manner. We further show that AG binding sites contain the landing site for a Polycomb Group (PcG) protein necessary for the maintenance of H3K27me3. These results indicate that the competition of AG with the PcG leads to dilution of H3K27me3 during cell division. I will present our model that the negative feedback loop is regulated in a proper developmental timing through histone modification.

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概日リズムは遺伝的に組み込まれた自律的な振動を示す性質をもち、生物に環境中の時間情報を予期させる働きをもつ。この十数年の遺伝学的解析は、シロイヌナズナにおける時計関連遺伝子を見いだしてきた。しかし時計関連遺伝子がコードするタンパク質の多くはその機能が未知であり、従って時計システムを分子レベルで理解することは困難であった。
今回私たちはPSEUDO-RESPONSE REGULATOR 9, 7, 5タンパク質が、概日時計機構で転写抑制因子として機能することを報告する。グルココルチコイドで機能誘導されるPRR5-GRタンパク質は、直接的にCIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED 1 (CCA1)とLATE ELONGATED HYPOCOTYL (LHY)遺伝子を抑制することができた。またPRR9、7、5タンパク質はCCA1とLHYのプロモーター活性を抑制した。さらにPRR9、7、5はin vivoでCCA1とLHYのプロモーター領域に結合していることが分かった。この結合時間は昼から真夜中に見られ、その時間帯ではCCA1とLHYの発現は抑制されていた。一方でCCA1とLHYは明け方にPRR9とPRR7の発現を誘導する。この数時間の時間差を持ったネガティブフィードバックループは、‘概日’スケールの時間を創りだすうえで重要であると考えられる。

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植物ホルモン・ジベレリン (GA) は発芽・伸長成長・開花時期を制御することが知られている。GA信号伝達において、植物固有のGRAS family に属するDELLAタンパク質は、核内で主要な抑制因子として機能し下流の信号伝達を抑制しているが、GAの添加にともない速やかに分解される。GAレセプター、SCF複合体の発見によりDELLAタンパク質の分解までの経路が明らかとなった。我々は、下流の信号伝達経路を明らかにする為、DELLAタンパク質と相互作用する転写因子GAF1を単離した。GAF1過剰発現体は、開花時期の促進、胚軸の伸長、葉の展開といった表現型を示し、対照的に gaf 変異体は、GA非感受性の半矮性、開花遅延等の表現型を示した。
GAによるDELLAタンパク質の分解によって、DELLAのGAF1に対する作用は、消失する。また、GAF1は、DELLAタンパク質の他に、転写抑制因子とも相互作用することが明らかとなった。酵母、植物を用いたモデル実験において、GAF1複合体は、GA内生量の変化にともない、その構成タンパク質を変えることによって、転写活性化能を調節し、標的遺伝子の発現制御を行っている可能性が示唆された。これらのモデル実験をもとに、GAF1の標的遺伝子の探索を行っている。

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Flowers consisting primarily of four basic organ types are the most remarkable feature that characterizes the angiosperms. Floral organ patterning in Arabidopsis requires activation of floral homeotic genes by the floral meristem identity gene, LEAFY (LFY). Here we discuss how precise activation of expression of class B and C homeotic genes in floral meristems is regulated by three flowering time genes, SHORT VEGETATIVE PHASE (SVP), SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS 1 (SOC1) and AGAMOUS-LIKE 24 (AGL24), through direct control of a LFY co-regulator, SEPALLATA3 (SEP3). Orchestrated repression of SEP3 by SVP, AGL24 and SOC1 is mediated by recruiting two interacting chromatin regulators, TERMINAL FLOWER 2/LIKE HETEROCHROMATIN PROTEIN 1 and SAP18, a member of SIN3 histone deacetylase complex. Our finding of coordinated regulation of SEP3 by flowering time genes reveals a novel genetic pathway that prevents pre-mature differentiation of floral meristems and determines the appropriate timing of floral organ patterning.

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葉緑体の電子伝達経路に2種類あることは半世紀前から知られていた。リニア電子伝達は，PSII－シトクロムbf複合体－PSI－NADPHと電子が移動するお馴染みのものだが，一方のサイクリック電子伝達(CEF)は，PSI を出た電子がどの分子を経由するかが明らかでなく謎に満ちていた．私たちは，緑藻クラミドモナスを用いてPSIとPSIIのバランス機構（ステート遷移）に注目し，生化学的な解析からその分子基盤を明らかにしてきた．これまでに，2つの光化学系のバランスがPSII側に崩れた状態では，それを補正するためにPSIIのための集光タンパク質をPSIに“融通”し，光化学系Iの集光能力が増強されることがわかってきた（この状態をステート2と呼ぶ）．興味深いことに，ステート2は，CEFの活性が高いことでも知られる．そこで，今回私たちはステート2状態のクラミドモナス細胞から，光化学系Iを含む無傷の巨大複合体を分離した。解析の結果，この複合体はPSI ばかりでなく，シトクロムbf複合体，FNRなどが集合してできた，分子量150万の超・超複合体であることがわかった。この超・超複合体に光を当てると，電子はPSI から隣のシトクロムbf複合体へと移動し，またPSIへと戻ってくることが確認され，CEFはLEFの部品を再配置した超・超複合体上で行われていることが明らかとなった．

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珪藻類は地球上の一次生産の約20%を担い、地球上の炭素循環や気象変動に多大な影響を与えている。また、油滴を細胞内に貯蔵し、DHA等の有用生理活性物質も産生する。珪酸質の被殻は工業原料としても重要である。産業的利用のためには、珪藻類を自然光の元で、実用的な速度で増殖させる必要がある。産業的活用のためにも、珪藻類が自然環境に与える影響を理解するためにも、珪藻類の光合成機構の解明が重要である。
本講演では、中心目珪藻Chaetoceros gracilisと羽状目珪藻Phaeodactylum tricornutumの光強度変化への応答機構を紹介する。クロロフィルaに対する補助色素の割合は増殖光強度に関わらずほぼ一定で、アンテナサイズが大きいために光強度変化による補助色素の変化が検知できないと見ることができた。キサントフィルサイクル色素の含量は、増殖光強度が高いほど大きくなり、強光下での光防御機構の強化が示された。77Kでの蛍光スペクトルによると、光化学系IとIIの量比は増殖光強度によって大きく変化し、C. gracilisでは増殖光強度が高いと大きくなったが、P. tricornutumでは逆に小さくなった。珪藻類ではステート遷移は知られていないので、ステート遷移とは異なる光合成系の励起バランス調節機構があると考えられる。これらに基づき、珪藻類の光強度馴化戦略について考察する。

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水中では，栄養源や光が豊富であってもCO₂の供給が光合成の律速段階となる．微細藻類は水中で光合成を維持するために独自の「CO₂濃縮機構」を獲得した．このCO₂濃縮機構は，多くの低CO₂誘導性の遺伝子からなるが，これまで細胞膜に局在する無機炭素輸送体は明らかにされていなかった。低CO₂誘導性遺伝子のLCI1はLCR1の制御を受け，膜タンパク質をコードする。LCI1を高CO₂条件で強制発現すると，光依存的CO₂ガス交換活性ならびに無機炭素の取込能が上昇することから，LCI1は，細胞膜局在型の無機炭素輸送体であることが明らかになった(Ohnishi他 Plant Cell 2010)。また，低CO₂誘導性遺伝子LCIBは，そのノックダウン株とGFP融合タンパク質の細胞内局在解析により，細胞内でCO₂のリサイクルに関わることが示唆された（Yamano他 PCP 2010）。これらの知見をふまえて，CO₂濃縮能の強化によるCO₂欠乏ストレス耐性ならびに，固定された炭素の有効利用について議論したい。

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光合成生物は多様な起源を有する。シアノバクテリアが始原真核生物に共生して生まれた3種の一次植物（緑色植物、紅色植物、灰色植物）がさらに真核生物に共生したのが二次植物である。緑色植物起源のユーグレナ植物、クロララクニオン植物、クリプト植物と、紅色植物起源の珪藻などの不等毛植物、ハプト植物、渦鞭毛植物がある。光合成機能を有するものと、進化の過程で光合成機能を失った生物群の双方を含み、細胞機能は多くの変化に富んでいる。一方、藻類は酸素発生型光合成機能を有する生物群の総称として用いられており、二次共生藻類は、酸素発生型光合成機能を有する二次植物の意味である。本発表では、二次共生藻類の炭素代謝を概観するとともに、ハプト植物の新規のCO2固定・炭素代謝機構など、緑色植物には見られない代謝の姿を紹介する。さらに、二次共生藻類は太古には石油や石灰岩形成の起源生物であり、現世の海洋でもブルームを形成し、大気中CO2を海底に隔離する生物ポンプとして重要な働きをしている。地球進化における変遷と併せ、二次共生藻類の炭素隔離やバイオ燃料生産など、未来の低炭素社会への貢献の可能性についても紹介する。

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近年、微細藻類は次世代バイオ燃料の脂質供給源として改めて注目されるようになっている。当研究室では、海洋微細藻類のカルチャーコレクションよりトリグリセリド高生産株の選出を行ない、60 wt%の脂質含有量を持つ海洋羽状目珪藻Fistulifera sp. JPCC DA0580株を取得した。本研究では、当該株のトリグリセリド高生産性の機構を明らかにすることを目的とし、全ゲノム解析を行った。全ゲノムシークエンスの結果、全ゲノム塩基数が49.7 Mbpであり、他の珪藻株と比較してゲノムサイズが大きいことが示唆された。さらに各培養条件におけるmRNAを調製し、網羅的なシークエンス解析を行うことでゲノム上における機能性遺伝子の同定を行った。これまでに中心目珪藻Thalassiosira pseudonana 及び羽状目珪藻Phaeodactylum tricornutumにおいて全ゲノム解析がなされているが、いずれもトリグリセリド高生産株ではない。そこで、これら珪藻株間の比較ゲノム解析を行ったところ、JPCC DA0580株に特徴的な遺伝子群の絞り込みが可能であった。さらに、トランスクリプトーム解析により、ゲノム上における機能性遺伝子の転写制御機構を解析し、近縁種との脂肪酸代謝経路の比較解析を行った。

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植物は光合成による自立的な物質生産性とその豊富な化学的多様性という特徴的な代謝機能を有する。植物は20万種を越えると推定されるいわゆる二次代謝成分（最近では特異的化学成分Specialized compoundsと呼ばれることも多い）を生産すると見積もられ、これらは医薬品、機能性食品成分、香料、工業原料などに利用されることで我々の生活を広く支えている。この化学的多様性の根源は植物ゲノムに内包されており、そのゲノム機能の基盤解明（ファイトケミカルゲノミクス）は植物科学研究の大きなテーマである。ファイトケミカルゲノミクスはシロイヌナズナをモデルとして開始されたが、昨今の次世代シークエンス解析技術、メタボローム解析技術の急速な発展に伴い、より広範な実用植物、作物、薬用植物に急速な展開が始まっている。本講演ではファイトケミカルゲノミクスを概観し、本シンポジウムのイントロダクションとする。

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植物ゲノムは遺伝子重複を介して多くの遺伝子を保有している。そのため、重複遺伝子が植物代謝産物の多様性にどのように貢献しているかを理解することは興味深い。実際に比較ゲノム解析によって、系統特異的に最近に重複した遺伝子は、二次代謝産物に関係する傾向が高いという結果を得ている。この結果は、二次代謝産物の多様性に重複遺伝子が関係していることを強く示唆する。しかし、一方で、比較的最近に重複した二次代謝産物の生成に関係する遺伝子は、冗長した機能を保つことも明らかになっている。このように、重複遺伝子が持つ多様性と冗長性が、各代謝産物に関係する遺伝子を同定するための大きな壁になっている。そこで、本講演では、情報解析によって、各代謝産物に関係する遺伝子を網羅的に同定する方法を提案する。ここで紹介する方法では、同一種内の二次代謝産物量の多様性を利用して、二次代謝産物の産生に関係する遺伝子群を同定することを可能にする。具体的には、同一種の複数のアクセッションのゲノム配列とトランスクリプトームデータの多様性に着目し、ゲノム関連解析によって各二次代謝産物に関係する遺伝子群を同定している。講演の最後には、実際に本方法で、二次代謝産物生成に関係する既知遺伝子群の同定に成功した例を紹介する。

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For the last decade genomics has operated by a "white paper" process whereby genomes have been prioritized for sequencing one-by-one by arguing their importance to science or industry. That made sense when genomes cost a fortune to do, but it also meant that (by definition) the next genome was always less interesting than the previous. We are now able to sequence thousands of genomes but we have to answer the critics who rightly ask "why". 1KP has taken a different approach by posing questions of importance to science or industry that might be answerable by sequencing multiple species, none of which need qualify as a species of interest in its own right. We started with transcriptomes instead of genomes only because of the lower costs, but the idea is extensible to genomes and not restricted to plants. Along the way we addressed practical problems: developing light sensitive molecules for optogenetic studies of mammalian brains and understanding the mechanism of resistance to chemotherapy treatment of cancer. In the process we finally begin to explore the vast biodiversity that to date has barely been touched by genomics.

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ゲノムプロジェクトの進展に伴って、現在までに、数百種のバクテリアゲノム、数十種の植物および動物のゲノムが解読された。植物における二次代謝産物は約20万種以上と推定され、5万種については構造決定されていると報告されている中で、ゲノムサイエンスの一環として、代謝産物と生物種の関係を体系化することを目的に、文献情報をもとに生物種とその生物において発見された代謝物の関係をデータベース化することを2004年より開始した。本論文では、このようにして開発された代謝物データベースKNApSAcK DBの現状を紹介する。さらに、生物資源の多面的な利用の目的からの代謝物検索を容易にするためのウェブサービスとしてKNApSAcKファミリーの研究開発を進めている(http://kanaya.naist.jp/KNApSAcK_Family/)。現在までにLunch Box (目的：食履歴)、KAMPO (漢方生薬)、KNApSAcK from around the world (世界の薬用植物)などのデータベース構築が完了した。これらのデータベースの現状についても紹介する。

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Medicinal plants produce a wealth of pharmaceutical compounds such as digitoxin and vincristine. Unfortunately, the specialized biochemical pathways leading to such compounds remain poorly understood and progress in elucidating and manipulating these taxonomically-restricted metabolic pathways has been correspondingly slow. Development of "omics"-level resources for medicinal plants has been limited, which means that research in these species has not benefited to the same extent as has research in model plants and agronomic crop species. With the combined use of state-of-the-art sequencing technologies, metabolomics capabilities, and bioinformatics, we are developing an unrestricted, public resource to address this growing gap in our knowledge base of species-specific plant metabolism. This resource is designed to accelerate the identification and functional analysis of genes involved in natural product biosynthesis. Progress towards the discovery of the pathways and genes responsible for biosynthesis of key pharmaceuticals and their diversification will be discussed.

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植物が生産する多様なトリテルペノイドは、潜在的な医薬品資源として重要な化合物群である。マメ科植物はグリチルリチンやソヤサポニンなどβ-アミリンを共通の基本骨格に持つ多様なトリテルペノイドを生産する。その構造多様化には、炭素骨格の酸化修飾を担うシトクロムP450モノオキシゲナーゼ（P450）の寄与が大きいと考えられるが、植物P450は大きな遺伝子ファミリーを形成するため、トリテルペノイド生合成に関わるP450分子種の特定は容易ではない。マメ科の薬用植物カンゾウ（甘草）が生産するグリチルリチンは肝炎治療剤、天然甘味料として使用されるトリテルペノイド配糖体である。私たちは、カンゾウ地下茎ESTの解析から、CYP88D6（β-アミリン 11位酸化酵素）およびβ-アミリンの30位を酸化するCYP72AサブファミリーP450をグリチルリチン生合成酵素として同定した。また、マメ科タルウマゴヤシの遺伝子共発現解析により、β-アミリンの24位を酸化するCYP93E2、また、28位を酸化しオレアノール酸を生成するCYP716A12を特定した。以上、大規模遺伝子配列、発現情報の取得と候補P450の酵素機能解析によリ、異なるファミリーに属しβ-アミリンに対して異なる反応性を示す複数のP450がマメ科トリテルペノイドの構造多様化に寄与することを明らかにした。

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The evolution of enzyme function is the driving force behind the metabolic diversity of plant natural product biosynthesis. Synthetic biology involves the reduction of biological systems to their basic components and the engineering of new processes through the novel assembly of these parts. The PhytoMetaSyn Project (www.phytometasyn.ca) is a consortium of Canadian researchers whose goals are to establish a functional genomics pipeline to characterize plant natural product biosynthetic genes and to establish a process engineering technology to deploy these genes in yeast. We are using massively parallel DNA sequencing to probe the expressed genomes of plants producing bioactive metabolites. Robust bioinformatics and targeted metabolite profiling allows the selection of candidate genes. The project will deliver (1) a public repository of transcriptome libraries from 75 non-model plants; (2) engineered yeast strains producing plant metabolites; (3) a catalogue of biocatalysts for plug-and-play synthetic biology; (4) an efficient functional genomics strategy for identifying unknown plant biosynthetic genes; and (5) an analysis of associated regulatory, ethical, and economic issues.

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真核細胞は栄養飢餓条件にさらされると、オートファジーと呼ばれる細胞内分解機構を活性化させる。この過程ではオートファゴソームと呼ばれる二重膜構造体が細胞質を非選択的に取り囲み、リソソーム・液胞と融合することで、その内容物が分解される。分解産物は生存に必要な栄養源・エネルギー源として再利用される。この真核生物に普遍的な役割のほかに、アミロイドの原因となり得る異常なタンパク質や細胞外から侵入してきた細菌などの選択的な除去、免疫など様々な高次機能にもオートファジーが貢献していることが近年明らかにされてきた。
出芽酵母では、飢餓適応としての役割のほかに、液胞酵素の細胞質から液胞の選択的輸送（cytoplasm to vacuole targeting経路）、ミトコンドリアやペルオキシソームの選択的分解にもオートファジーが利用されていることが知られている。現在まで34個の出芽酵母オートファジー関連遺伝子が同定されており、そのうち約半分がすべての経路に必須なコア・コンポーネントであり、残りは基質選択性に関わる因子である。本講演ではこれら遺伝子産物の機能と選択的オートファジーのメカニズムを紹介するとともに、哺乳類における異常タンパク質や細菌のクリアランス機構との類似性についても言及したい。

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オートファジーは、オルガネラを含む細胞質成分を液胞に輸送して分解する真核生物に普遍的な細胞内分解システムである。
私たちはこれまでに、電子顕微鏡観察に依拠しない植物オートファジーのモニター系を開発し、(1) ATG（autophagy-related）遺伝子破壊植物（atg mutants）はオートファジー能を欠損していること、(2) オートファジーが不能であると栄養状態が良いにもかかわらず老化・細胞死が促進すること、(3) 病原菌感染時に防衛反応として引き起こす細胞死を過剰に発生すること、等を明らかにしている。しかしながら、なぜオートファジーが不能であるとこのような表現型を示すのかについては謎であり、植物オートファジーの生理的役割を明らかにする上で大変興味深い問題である。
最近、私たちはatg mutantsにおける細胞死促進の原因が過剰なサリチル酸（SA）シグナリングであること、またそのシグナルによってオートファジーが誘導されることを発見した。本シンポジウムでは、オートファジーがどのようにして細胞死を負に制御しているのかそのメカニズムについて最新のデータを基に考察し、老化・病原菌感染時における植物オートファジーの役割について議論したい。

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我々は、植物の自然免疫応答のモデル系として、細胞内分子動態の観察に適したタバコ培養細胞BY-2株が、病原性卵菌由来のタンパク質cryptogeinを認識し、プログラム細胞死を伴う感染防御応答を誘導する実験系を構築し、シグナル伝達系や細胞内動態のイメージング解析を進めて来た。ATG8とYFPとの融合タンパク質を発現させたBY-2細胞を作出し、オートファゴソームの可視化系を構築した。感染シグナルの認識直後に見られるCa²⁺の動員と、NADPH oxidaseの活性化による活性酸素種の生成に引き続いて、オートファゴソーム様構造体の迅速な減少が見られ、感染防御応答の初期過程で、オートファジーが抑制される可能性が示唆された。一方、オートファジー阻害剤で前処理した細胞では、cryptogeinにより誘導される細胞死や活性酸素種生成、遺伝子発現等の一連の防御応答が顕著に亢進されていた。オートファジーを介した感染防御応答の制御、ジャスモン酸等の植物ホルモンとの関連性、新しい植物防除法開発の可能性について議論する。細胞周期を同調させた細胞を用いた解析結果についても報告し、感染防御応答、細胞周期及びオートファジーの三者の関係についても議論したい。

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植物は生育場所から移動出来ないため、養分の供給量は環境変化により容易に変動する。植物の栄養欠乏に対する生存戦略としての、初期応答の機構についての解析が現在進められつつあり、その中でも、このような養分不足状態において誘導される細胞内分解系として、オートファジーが知られている。さて我々は、タバコ培養細胞BY－2株をモデルとして用い、Cytb5と赤色蛍光蛋白質（RFP）の融合体が形成する蛍光性細胞内凝集体が、細胞が栄養欠乏になるとオートファジーにより液胞に輸送され分解されることを見出し、この系を用いてオートファジー依存の分解速度を定量する系を開発している (Toyooka K et al., Autophagy 2, 91-106.2006)。次いでこの系を、光依存性蛍光波長変換タンパク質を用いた系に改良することにより、蛋白質の合成と分解を区別して定量することの出来るシステムを開発し、現在亜リン酸を用いてリン酸欠乏と他の栄養素欠乏に依存したオートファジー誘導の解析を進めている。これとは独立に、ゴルジ装置に局在するショ糖輸送体の局在化機構の解析の過程で、糖飢餓に特異的に、トランスゴルジネットワークに局在するこの輸送体が、おそらくオートファジーにより分解されることを見出している。本シンポジウムでは、我々のこれらの最近の解析結果を紹介し、各種の栄養欠乏と細胞内分解系の誘導について議論する。

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独立栄養で生きる植物にとって、獲得した栄養素やエネルギーの体内での効率利用は、過酷な環境下での生存戦略の一つとして重要である。C ₃ 植物では葉の全窒素の約80%が葉緑体に分配され、中でもRubiscoには約12－35%が分配されている。葉の老化や飢餓等のストレス条件下では、葉緑体タンパク質は速やかに分解され、それらを構成していた窒素や炭素はリサイクルされる。
オートファジーは植物においてもタンパク質のバルク分解・栄養素リサイクルを担う主要なシステムと考えられているが、その実態については不明な点が多い。私たちは老化葉におけるRubiscoを含む小胞、RCB（Rubisco-containing body）、の発見をきっかけに、葉緑体タンパク質の分解とオートファジーの関係を調べてきた。そして、（1）RCBは、 ATG 遺伝子に依存したマクロオートファジーにより、液胞に輸送、分解されること、(2) 葉緑体のオートファジーにはRCBによる部分分解と縮小した葉緑体本体の分解の2つの様式があること、(3) RCB形成は窒素ではなく主に葉の炭水化物含量によって制御されており、その制御は葉緑体以外の成分のオートファジーとは異なること、を報告した。本発表ではこれらの結果を紹介し、葉緑体タンパク質やオルガネラ分解におけるオートファジーの寄与について議論したい。

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私たちは、タバコ培養細胞、シロイヌナズナ、ヒメツリガネゴケを用いてオートファジーの生理的役割を調べている。
栄養培地で培養していたタバコ細胞をショ糖を欠いた培地に移すと、細胞内のタンパク質や膜リン脂質、rRNAが分解を受け、1-2日のうちに約50%にまで減少する。オートファジーを3-メチルアデニンで阻害するとタンパク質とrRNAの分解が抑えられる。このことは、栄養飢餓条件下では、細胞はオートファジーにより自己成分を分解し、リサイクルやエネルギー調達をしていることを示唆している。
シロイヌナズナの根端を切り取って液体培地で培養すると、培養液のショ糖に依存して根の伸長成長が起こる。マクロオートファジー経路を欠損したatg5変異体では、この成長が抑制されている。このことは、オートファジーが細胞成長に寄与していることを示唆している。
ヒメツリガネゴケの原糸体を暗所に置くと、クロロフィルやルビスコの分解を伴った老化が起こる。マクロオートファジー経路を欠損したヒメツリガネゴケ原糸体では、野生型に比べて老化がより速く起こる。このことは、オートファジーが老化過程を負に制御していることを示唆している。

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Plants and animals face microbial attacks as a hazard of everyday life, and have evolved innate immunity systems to defend against these threats. The initial step of the immunity signaling pathway is recognition of intra- or extracellular pathogen-derived molecules. Quite remarkably, both plants and animals utilize proteins with similar structures for this purpose. Externally oriented transmembrane-type proteins containing leucine-rich repeat (LRR) domains detect extracellular molecules, whereas cytoplasmic sensors possess nucleotide-binding (NB) and LRR domains. To understand how plants utilize these proteins and how pathogens sabotage the immunity system, we initiated structural analyses of both host immunity-related proteins and pathogen-derived proteins. Recent findings on the structure-based functional analysis of these proteins will be discussed.

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In plants, there are three major classes of immune receptors. The largest class encodes intracellular NB-LRR type R proteins. The two other classes of immune receptors are transmembrane receptor-like kinases (RLKs) and receptor-like proteins (RLPs). Unlike RLKs, RLPs do not have an intracellular kinase domain. We have obtained a series of mutants such as snc2-1D, bir1-1 and mkk1 mkk2 that constitutively activate resistance responses mediated by different classes of immune receptors. snc2-1D contains a gain-of-function mutation in a RLP. bir1-1 activates cell death and immunity mediated by the RLK SOBIR1, whereas mkk1 mkk2 displayed phenotypes similar as bir1-1. We have performed suppressor screens in these mutant backgrounds to identify new regulatory components of plant defense. Recent progress on studies of the suppressor mutants of snc2-1D, bir1-1 and mkk1 mkk2 will be presented.

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Besides roles of cytokinins as a plant growth promoting hormone on specification of embryonic cells, maintenance of meristemetic cells, and vasculature development, cytokinins have been emerged as a major player in plant-microbe interactions during nodule organogenesis and pathogenesis. Microbe-originated cytokinins confer abnormal hypersensitivity of cytokinins to plants augmenting the sink activity of infected region. However, recent discovery shed light on a distinct role of cytokinins in plant immune responses. Plant-borne cytokinins systemically induce resistance against pathogen infection, orchestrated by endogenous cytokinin and salicylic acid signaling. I will discuss how plant- and pathogen-derived cytokinins inversely affect plant defense response and, furthermore, present molecular mechanisms underlying plant-derived cytokinin action in the plant immunity.

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植物は微生物に特徴的な分子群（Microbe-Associated Molecular Patterns: MAMPs）を認識し、さまざまな防御応答を開始する能力をもっている。このシステムの存在が植物に多くの潜在的病原菌に対する抵抗性を付与していると考えられている。一方で、さまざまな微生物がこうした植物の防御システムを阻害したり潜り抜けることによって、病原性を発揮したり共生関係を成立させていることも分かってきている。
キチンは真菌類の代表的なMAMPであり、多くの植物がキチン断片（キチンオリゴ糖）を認識し、防御応答を開始する能力をもっている。われわれは最近、イネとシロイヌナズナにおいて、キチンエリシターによる防御応答誘導で主要な役割を果たしている2種類のLysM型受容体分子（CEBiPおよび CERK1/OsCERK1）を同定し、これらを介したシグナル伝達機構の解析を進めている1-3)。今回のシンポジウムでは、植物のキチン認識・シグナル伝達研究の現状を紹介するとともに、こうした防御系を回避する側の戦略についても考えてみたい。
1)Kaku et al., PNAS, 103, 11086 (2006)
2)Miya et al., ibid, 104, 19613 (2007)
3)Shimizu et al., Plant J., 64, 204 (2010)

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私たちはイネの自然免疫機構についてこれまで、最も重要な因子である低分子Gタンパク質OsRac1と、それに直接あるいは間接的に結合するたんぱく質の同定と機能解析を行なってきた。その結果、OsRac1がDefensomeと名付けたタンパク質複合体を形成し、イネにおいてPAMP（エリシター）によって誘導される経路と病原体に由来するエフェクターをRタンパク質により認識する経路の両方を活性化することを明らかにしてきた。Defensomeには受容体、シグナル分子、シャペロン、下流で働く酵素などが含まれる。今回の発表ではPAMP経路における初期反応の解析とDefensomeのダイナミクスの解析について新しい結果を報告する。

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Auxin regulates a bewildering array of processes during plant growth and development. This complexity is belied by the apparent simplicity of the auxin-signaling pathway. Auxin regulates transcription via the TIR1/AFB-Aux/IAA-ARF pathway. The hormone directly promotes Aux/IAA degradation through the action of SCFTIR1/AFB thus permitting ARF-dependent transcription. In the case of the TIR1/AFB proteins, recent results indicate that different members of the family have distinct activities both with respect to auxin binding and Aux/IAA interaction. We are currently exploring the possibility that these differences contribute to the complexity of auxin response. We are also studying the evolutionary history of auxin signaling. Our results indicate that the mechanism of auxin signaling is conserved in land plants.

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Auxin is an essential regulator for almost every aspect of plant growth and development. Our research focuses on the molecular mechanisms of how auxin regulates plant growth and development, particularly organogenesis. Genetic screens for mutants with altered responses to exogenous auxin have led to major breakthroughs in auxin biology. We approached the key questions in auxin biology from the other end of the auxin spectrum by analyzing partially auxin deficient mutants. We have demonstrated that the YUC family of flavin monooxygeanses catalyzes a rate-limiting step in auxin biosynthesis. We have shown that YUC-mediated auxin biosynthesis is essential for all major developmental events. We conducted large-scale genetic screens for mutants that fail to make flowers in the auxin biosynthetic yuc mutant backgrounds, but not in a wild type background. Analyses of the mutants have led to the discovery of a major new pathway through which auxin regulates plant organogenesis. We further showed that this new pathway for auxin-regulated organogenesis is analogous to the pathway used in blue-light mediated phototropic bending and gravity-mediated directional root growth.

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Auxins are signaling molecules that have critical roles in intercellular communication in plants. Indole-3-acetic acid (IAA) is the main auxin regulating plant growth and development, yet its biosynthetic pathway remains unclear. We have been dissecting the IAA biosynthetic pathway by LC-MS/MS analysis of proposed IAA precursors. We recently found that Arabidopsis has a unique IAA biosynthetic pathway branching from a crucifer-specific secondary metabolism. The YUCCA and indole-3-pyruvate pathways are proposed as common IAA biosynthetic routes in plants. Phenylacetic acid (PAA) has been known as a naturally occurring auxin, but not much is know about physiological role of PAA in plants. To better understand auxin-mediated regulation of plant growth and development, we dissected the biosynthetic and metabolic pathways for PAA. By LC-MS/MS analysis of PAA and its possible metabolites in IAA biosynthesis-related mutants, we found that YUCCA genes contribute to PAA biosynthesis in Arabidopsis. Moreover, we demonstrated that GH3 genes encoding IAA-amido synthases are implicated in PAA metabolism. Possible biosynthetic and metabolic pathways for PAA in plants will be discussed.

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細胞の脱分化は、一度分化した体細胞がより低い分化状態に戻り、再び細胞増殖を再開する過程である。この現象は、多細胞生物で広く観られるが、その多くは傷害が引き金となっている。これには傷害部位を活発に分裂するより分化度の低い細胞で覆うことで傷を保護し、そこから新しく組織を再生するという生物学的な意義があると考えられている。植物細胞では、この過程に植物ホルモンであるオーキシンとサイトカイニンの濃度比が大きく影響を与えることが20世紀半ばに発見されている。以来、植物細胞の脱分化と再分化を制御する技術は基礎科学および応用科学分野で広く用いられて来たにもかかわらず、この過程の分子レベルでの解析はあまり進んでいない。我々はこれまでの研究から、転写因子WOUND- INDUCED DEDIFFERENTIATION 1 (WIND1)が、シロイヌナズナの脱分化に関与していることを発見した。WIND1は傷害部位において発現が促進し、不定形の細胞塊であるカルスの形成を促進する。面白いことにWIND1過剰発現体は培地に外生の植物ホルモンを添加しなくてもカルスを形成する上に、生じた細胞は脱分化状態を維持したまま継代培養が可能である。WIND1の機能とオーキシンおよびサイトカイニン応答の関連について報告する。

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