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JP5019282B2 - Method for adjusting leaf water transpiration and method for improving drought tolerance of plants - Google Patents
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Method for adjusting leaf water transpiration and method for improving drought tolerance of plants Download PDF

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Description

本発明は、葉の水分蒸散を調節する方法、及び植物の耐乾燥性を向上させる方法に関し、例えば、鑑賞植物の長寿命化、鑑賞植物および農作物の生産地域の拡大、砂漠の緑化用耐乾燥性植物の創出などの分野において利用可能である。   The present invention relates to a method for adjusting moisture transpiration of leaves and a method for improving the drought resistance of plants, for example, extending the life of ornamental plants, expanding the production areas of ornamental plants and crops, drought tolerant for desert greening It can be used in fields such as the creation of sex plants.

陸上植物において、植物体からの水分消失のおよそ95 %以上は気孔からの蒸散によるため、葉の気孔開閉を制御することによって例えば水分蒸散を抑え、植物の耐乾燥性を高めることが期待できる。   In land plants, about 95% or more of the water loss from the plant body is due to transpiration from the pores. Therefore, by controlling the opening and closing of the pores of the leaves, for example, moisture transpiration can be suppressed and the drought resistance of the plant can be expected to increase.

スフィンゴ脂質に属するスフィンゴシン 1-リン酸は、気孔の閉鎖を促進するアブシジン酸のシグナル伝達経路に関与する脂質メディエーターである。スフィンゴ脂質は、酵母から植物、動物細胞に至るまで広く保存された膜成分であり、スフィンゴイド塩基(長鎖塩基、long-chain baseともいう)を構造骨格としてもつ脂質の総称である。当初、スフィンゴ脂質は主に膜の構造維持の役割を担っていると考えられていたが、最近の研究により、スフィンゴ脂質やそれらの代謝中間体が、細胞認識、細胞成長や分化の調節、細胞間連絡そしてシグナル伝達経路を仲介する高度な生理活性物質であることが分かってきた(Hannun et al. 1989, Merrill et al. 1991, Hakomori 1981, Riboni et al. 1997)。   Sphingosine 1-phosphate, a sphingolipid, is a lipid mediator involved in the abscisic acid signaling pathway that promotes stomatal closure. Sphingolipid is a membrane component widely preserved from yeast to plants and animal cells, and is a generic name for lipids having a sphingoid base (also called a long-chain base) as a structural skeleton. Initially, sphingolipids were thought to play a major role in maintaining membrane structure, but recent research has shown that sphingolipids and their metabolic intermediates are responsible for cell recognition, regulation of cell growth and differentiation, It has been found to be a highly bioactive substance that mediates intercommunication and signaling pathways (Hannun et al. 1989, Merrill et al. 1991, Hakomori 1981, Riboni et al. 1997).

動物細胞のスフィンゴ脂質の骨格は主にスフィンゴシンであるが、植物や真菌では主にファイトスフィンゴシンである。天然に存在するスフィンゴイド塩基の炭素数は一般に18であり、また、C-2,3位の立体化学構造はD-erythro型である。現在考えられている主要スフィンゴ脂質の生合成経路について説明すると、スフィンゴシンの生合成はまず小胞体(endoplasmic reticulum ; ER)において、パルミトイルCoAとセリンが縮合することによって、3-ケトジヒドロスフィンゴシンが生成されることから始まる。3-ケトジヒドロスフィンゴシンはさらに3-ケトジヒドロスフィンゴシンレダクターゼによりジヒドロスフィンゴシンへと変換され、酵母および植物ではジヒドロスフィンゴシンはさらにスフィンゴイド塩基C-4ヒドロキシラーゼによりファイトスフィンゴシンになる(HaaK et al. 1997, Sperling et al. 2001)。また、ジヒドロスフィンゴシンは動物および植物ではスフィンゴイド塩基 C-4不飽和化酵素によってスフィンゴシンへと変換される。これらのスフィンゴイド塩基からセラミド合成酵素によってそれぞれ、ジヒドロセラミド、ファイトセラミド、セラミドが合成される。セラミドはその後、ゴルジ体においてスフィンゴミエリンあるいはスフィンゴ糖脂質へ変換され、細胞膜表面に輸送される。また、スフィンゴイド塩基はスフィンゴイド塩基リン酸化酵素によってスフィンゴイド塩基 1-リン酸に変換され、脱リン酸化酵素あるいは分解酵素によって分解される。 The sphingolipid skeleton of animal cells is mainly sphingosine, but it is mainly phytosphingosine in plants and fungi. Naturally occurring sphingoid bases generally have 18 carbon atoms, and the stereochemical structure at the C-2,3 position is D- erythro type. The biosynthesis pathway of major sphingolipids currently considered is explained. The biosynthesis of sphingosine begins with the formation of 3-ketodihydrosphingosine by the condensation of palmitoyl CoA and serine in the endoplasmic reticulum (ER). It starts with. 3-ketodihydrosphingosine is further converted to dihydrosphingosine by 3-ketodihydrosphingosine reductase, and dihydrosphingosine is further converted to phytosphingosine by sphingoid base C-4 hydroxylase in yeast and plants (HaaK et al. 1997, Sperling). et al. 2001). Dihydrosphingosine is also converted to sphingosine by sphingoid base C-4 desaturase in animals and plants. Dihydroceramide, phytoceramide, and ceramide are synthesized from these sphingoid bases by ceramide synthase, respectively. Ceramide is then converted into sphingomyelin or glycosphingolipid in the Golgi apparatus and transported to the cell membrane surface. In addition, sphingoid base is converted to sphingoid base 1-phosphate by sphingoid base phosphorylase and degraded by dephosphorylating enzyme or degrading enzyme.

これらの生合成、代謝経路により産生されるセラミド、スフィンゴシン、スフィンゴシン 1-リン酸などの脂質が、細胞の生存、増殖、アポトーシスといった様々な細胞機能に関与することが示唆されてきた。1986 年にスフィンゴシンがin vitroでプロテインキナーゼC(PKC)の強力な阻害剤となることが明らかにされたのをきっかけに(Hannun 1986)、スフィンゴ脂質が細胞内シグナル伝達物質として注目されるようになり、そのシグナル機構について研究が盛んに行われるようになった。1993 年、Hannunらが神経細胞のtumor necrosis factor (TNF)-αによるプログラム細胞死において、セラミドが情報伝達物質である可能性を示した (Obeid et al. 1993)。現在までに動物や酵母においてセラミドは高温ストレスの応答(Dickson et al. 1997)や、アポトーシスを誘導するCaspaseの活性化をする重要な調節因子であることが報告されている(Jenkins et al. 2002)。また、スフィンゴシンもセラミドとは異なる独自のアポトーシス誘導機能を持つことが明らかとなっている(Sweeney et al. 1996, Nakamura et al. 1996, Kim et al. 2001)。そして酵母において、スフィンゴイド塩基はエンドサイトーシスの制御に関わることや(Zanolari et al. 2000, Friant et al. 2000)、アミノ酸の取り込みを阻害することが報告されている(Skrzypek et al. 2000, Chung et al. 2001)。   It has been suggested that lipids such as ceramide, sphingosine, and sphingosine 1-phosphate produced by these biosynthesis and metabolic pathways are involved in various cell functions such as cell survival, proliferation, and apoptosis. In spite of the fact that sphingosine was found to be a potent inhibitor of protein kinase C (PKC) in vitro in 1986 (Hannun 1986), sphingolipids have attracted attention as intracellular signaling agents. Therefore, research on the signal mechanism has been actively conducted. In 1993, Hannun et al. Showed that ceramide may be a signal transmitter in programmed cell death by neuronal tumor necrosis factor (TNF) -α (Obeid et al. 1993). To date, ceramide has been reported to be an important regulator of heat stress response (Dickson et al. 1997) and activation of caspase that induces apoptosis in animals and yeast (Jenkins et al. 2002). ). Sphingosine has also been shown to have a unique apoptosis-inducing function different from ceramide (Sweeney et al. 1996, Nakamura et al. 1996, Kim et al. 2001). In yeast, sphingoid bases have been reported to be involved in the regulation of endocytosis (Zanolari et al. 2000, Friant et al. 2000) and to inhibit amino acid uptake (Skrzypek et al. 2000, Chung et al. 2001).

これまでセラミドやスフィンゴイド塩基の生理活性について述べたが、特にスフィンゴシン 1-リン酸(以下、略して「S1P」ともいう)は細胞内セカンドメッセンジャーとしてだけでなく、細胞間シグナル伝達物質としてもはたらく新しいタイプの生理活性脂質として注目を集めている。細胞内で作られたS1Pは細胞外へ放出後、細胞間シグナル伝達物質として、細胞増殖、細胞運動制御、分化など様々な細胞応答を引き起こす(Pyne et al. 2000)。動物細胞においては、S1Pの細胞間シグナル伝達物質としての役割は、7 回膜貫通領域を持つG-タンパク質結合型EDG (endothelial differentiation growth)受容体を介して行われている(Pyne et al. 2000, Spiegel et al. 2000a, Spiegel et al. 2000b, An et al. 2000)。一方、細胞内セカンドメッセンジャーとしてのS1Pは、カルシウム動員、ホスホリパーゼDの活性化、アポトーシスを抑制し、細胞増殖を促進することが報告された(Igarashi 1997, Spiegel 1999, Birchwood at al. 2001)。このように、多くの重要なイベントのシグナル伝達物質であるS1Pの細胞内レベルは厳密に制御されており、スフィンゴシンカイネース(SPHK)により合成され、スフィンゴシン-1-リン酸ホスファターゼ(sphingosine 1-phosphate phosphatase: 以下、略して「SPP」ともいう)によって脱リン酸化される。また、スフィンゴシン-1-リン酸リアーゼ(sphingosine 1-phosphate lyase: 以下、略して「SPL」ともいう)によってホスホエタノールアミンとC16のアルデヒドへと分解される。これらの酵素について、酵母や動物では遺伝子のクローニングや機能解析がなされている。酵母において、ジヒドロスフィンゴシン-1-リン酸ホスファターゼ(LCB3: 酵母にはスフィンゴイド塩基 C-4不飽和化酵素がないためスフィンゴシンがなく、ジヒドロスフィンゴシン-1-リン酸が動物細胞におけるS1Pと類似の細胞応答を引き起こしている)の欠損株Δlcb3や、ジヒドロスフィンゴシン-1-リン酸リアーゼ(DPL1)の欠損株Δdpl1では野生株の数倍、Δlcb3Δdpl1二重欠損株では数百倍のスフィンゴイド塩基 1-リン酸が細胞内に蓄積している(Kim et al. 2000)。また、生育段階において、野生株は定常期に達するとG1期で増殖を停止するが、Δdpl1では定常期での成育停止が大幅に遅れ、野生株で定常期にみられる細胞濃度の約2 倍に達して生育を停止する(Gottlieb et al. 1999)。以上の報告より、これらの酵素の働きによって細胞内スフィンゴイド塩基 1-リン酸レベルは制御されていると考えられる。 So far, the physiological activities of ceramide and sphingoid bases have been described. In particular, sphingosine 1-phosphate (hereinafter also referred to as “S1P” for short) serves not only as an intracellular second messenger but also as an intercellular signal transmitter. It attracts attention as a new type of bioactive lipid. Intracellularly produced S1P is released outside the cell and causes various cellular responses such as cell proliferation, cell motility control, and differentiation as an intercellular signal transmitter (Pyne et al. 2000). In animal cells, the role of S1P as an intercellular signal transducer is via the G-protein-coupled EDG (endothelial differentiation growth) receptor with seven transmembrane domains (Pyne et al. 2000). Spiegel et al. 2000a, Spiegel et al. 2000b, An et al. 2000). On the other hand, S1P as an intracellular second messenger was reported to suppress calcium mobilization, activation of phospholipase D, and apoptosis and promote cell proliferation (Igarashi 1997, Spiegel 1999, Birchwood at al. 2001). In this way, the intracellular level of S1P, a signaling agent for many important events, is tightly controlled, synthesized by sphingosine kinase (SPHK), and sphingosine 1-phosphate phosphatase (sphingosine 1-phosphate). Phosphatase: Dephosphorylated by "SPP" for short). Further, it is decomposed into phosphoethanolamine and C16 aldehyde by sphingosine 1-phosphate lyase (hereinafter also referred to as “SPL” for short). For these enzymes, gene cloning and functional analysis have been performed in yeast and animals. In yeast, dihydrosphingosine-1-phosphate phosphatase (LCB3: yeast lacks sphingoid base C-4 desaturase, so there is no sphingosine, and dihydrosphingosine-1-phosphate is similar to S1P in animal cells. In the case of the deficient strain Δlcb3 (which causes the response) and in the dihydrosphingosine-1-phosphate lyase (DPL1) -deficient strain Δdpl1, several times as many as the wild type, and in the Δlcb3Δdpl1 double-deficient strain several hundred times the sphingoid base 1-phosphorus Acid accumulates in the cell (Kim et al. 2000). Further, in the growth stage, wild type strain but stops the growth in G 1 phase reaches the stationary phase, significantly delayed growth arrest in stationary phase in Derutadpl1, about the cell concentration found in stationary phase wild-type strain 2 Doubles to stop growing (Gottlieb et al. 1999). From the above reports, it is considered that the level of intracellular sphingoid base 1-phosphate is controlled by the action of these enzymes.

植物におけるS1Pの働きは、酵母や動物と比べるとまだ研究は進んでいないが、2000 年にNishiuraらによって植物では初めてシロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana: 以下、「A. thaliana」ともいう)からスフィンゴシンカイネースの遺伝子(AtLCBK1)がクローニングされ、機能解析がなされている(Nishiura et al. 2000, Imai et al. 2005)。さらに、2001 年にNgらによって、S1Pが植物でカルシウムの移動を起こし、アブシジン酸(以下、「ABA」ともいう)による気孔孔辺細胞の膨圧の調節に関与するシグナル伝達分子であることが報告され(Ng et al. 2001)、また、S1Pを生産する酵素スフィンゴシンキナーゼがA. thalianaでABAにより活性化され、ABAによる気孔開口抑制および気孔閉鎖促進の両方に関与していることが明らかにされた(Coursol et al. 2003)。特に、これらのS1Pによる役割は、ジヒドロスフィンゴシン 1-リン酸では全く作用がないことが興味深い。現在主に知られている乾燥ストレス応答の気孔閉鎖のメカニズムは以下のとおりである。通常、ABAは葉肉細胞のクロロプラスト内に蓄積しており、乾燥ストレスを感じると解離型になり孔辺細胞へ放出される。ABAが受容体に結合すると、セカンドメッセンジャーであるイノシトール1, 4, 5-3リン酸がERカルシウムプールよりカルシウムイオン(Ca2+)を放出させる。細胞質内のCa2+濃度が上昇することで陰イオンチャネルが活性化され、リンゴ酸イオンや塩素イオンが細胞外へ放出されて膜電位の脱分極が起こる。さらにカリウムイオン排出チャネルが活性化され、カリウムイオンの排出が促進されることで孔辺細胞の浸透圧が低下し、膨圧が下がることで気孔が閉じる(Schroeder et al. 2001)。しかしながら、このメカニズムとS1Pがどの段階で関わってくるか、または、独自の伝達経路があるか等はあまりよく分かっていない。 The role of S1P in plants has not been studied yet compared to yeast and animals. However, in 2000, Nishiura et al. First introduced Arabidopsis thaliana (hereinafter referred to as “A. thaliana”) to produce sphingosine kinases. The gene (AtLCBK1) has been cloned and analyzed for function (Nishiura et al. 2000, Imai et al. 2005). In 2001, Ng et al. Reported that S1P is a signaling molecule involved in the regulation of swell pressure in stomatal cells by abscisic acid (hereinafter also referred to as “ABA”), which causes calcium movement in plants. Reported (Ng et al. 2001) and that S1P-producing enzyme sphingosine kinase is activated by ABA in A. thaliana and is involved in both suppression of stomatal opening and promotion of stomatal closure by ABA (Coursol et al. 2003). In particular, it is interesting that these S1P roles have no effect on dihydrosphingosine 1-phosphate. The currently known mechanism of stomatal closure of drought stress response is as follows. Normally, ABA accumulates in the chloroplasts of mesophyll cells, and when it feels drought stress, it becomes dissociated and released to guard cells. When ABA binds to the receptor, the second messenger inositol 1, 4, 5-3 phosphate releases calcium ions (Ca 2+ ) from the ER calcium pool. An increase in cytosolic Ca 2+ concentration activates anion channels, and malate ions and chloride ions are released out of the cell, causing membrane potential depolarization. Furthermore, the potassium ion efflux channel is activated and the potassium ion evacuation is promoted to reduce the osmotic pressure of guard cells, and the swell pressure is lowered to close the pore (Schroeder et al. 2001). However, it is not well understood at what stage this mechanism and S1P are involved, or whether there is an original transmission path.

植物における細胞内S1Pレベルの調節については、合成酵素であるAtLCBK1が同定されているだけで、分解系については全く調べられていない。酵母や動物細胞において、S1Pを分解する酵素は、脱リン酸化酵素である前記SPPと、S1Pを完全に分解する前記SPLとが挙げられる。1969 年、Stoffelらのラットの肝臓を用いた実験で、SPLの活性がミクロソーム画分とミトコンドリア膜画分に確認され、ピリドキサル 5’-リン酸を補酵素として必要とし、スフィンゴイド塩基 1-リン酸のC2-3の結合を切断する酵素であることが初めて報告された(Stoffel et al. 1969)。しかし、1991 年にVan Veldhovenらにより、ミトコンドリア画分の活性はミクロソーム画分のコンタミであることが確認され、SPLは完全な膜タンパク質であり、活性部位を細胞質側に露出していることが報告された(Van Veldhoven et al. 1991, Van Veldhoven 1999)。その後、Saccharomyces cerevisiaeにおいてはじめてクローニングおよび機能解析が行われ(Saba et al. 1997)、マウス、ヒト、粘菌、ショウジョウバエ、線虫と次々にクローニング、機能解析が行われた(Zhou et al. 1997, Van Veldhoven et al. 2000, Li et al. 2001, Herr et al. 2003, Mendel et al. 2003)。これらの報告では、様々な生物でスフィンゴシン-1-リン酸リアーゼ(SPL)が細胞内S1Pレベルを調節しており、線虫のSPL欠損体においては胚発生が正常にできず、器官の分化や発達が異常であるためセミリーサルであった。   Regarding the regulation of intracellular S1P levels in plants, only the synthetic enzyme AtLCBK1 has been identified, and the degradation system has not been investigated at all. Examples of enzymes that degrade S1P in yeast and animal cells include the SPP that is a dephosphorylating enzyme and the SPL that completely degrades S1P. In 1969, an experiment using rat liver by Stoffel et al. Confirmed that the activity of SPL was confirmed in the microsomal and mitochondrial membrane fractions, which required pyridoxal 5'-phosphate as a coenzyme, and sphingoid base 1-phosphate. It was first reported to be an enzyme that cleaves the C2-3 bond of acids (Stoffel et al. 1969). However, in 1991, Van Veldhoven et al. Reported that the activity of the mitochondrial fraction was contaminated with the microsomal fraction, and that SPL was a complete membrane protein and exposed the active site to the cytoplasmic side. (Van Veldhoven et al. 1991, Van Veldhoven 1999). Subsequently, cloning and functional analysis were performed for the first time in Saccharomyces cerevisiae (Saba et al. 1997), followed by cloning and functional analysis for mice, humans, slime molds, Drosophila, nematodes one after another (Zhou et al. 1997, Van Veldhoven et al. 2000, Li et al. 2001, Herr et al. 2003, Mendel et al. 2003). In these reports, sphingosine-1-phosphate lyase (SPL) regulates intracellular S1P levels in various organisms, and nematode SPL-deficients fail to develop embryos normally. It was semi-risal due to abnormal development.

脱リン酸化酵素である前記SPPについて、酵母Saccharomyces cerevisiaeはLCB3p/YSR2p/Lbp1pとYSR3/Lbp2p/YSR2-1pという二つのSPPをもっている。この2つはホモログであるが、その活性の大部分を占めているのはLCB3p/YSR2p/Lbp1pである。これらのタンパク質はERに局在している。また、哺乳類のSPPも2つのホモログであるSPP(SPP1とSPP2)をもっていて、酵母と同様にERに局在し、その活性の大部分を占めているのはSPP1であると考えられている。   Regarding the SPP that is a phosphatase, the yeast Saccharomyces cerevisiae has two SPPs, LCB3p / YSR2p / Lbp1p and YSR3 / Lbp2p / YSR2-1p. These two are homologs, but LCB3p / YSR2p / Lbp1p account for the majority of their activity. These proteins are localized in the ER. In addition, mammalian SPP also has two homologs, SPP (SPP1 and SPP2), and it is thought that SPP1 is localized in the ER like yeast and accounts for most of its activity.

Lipid phosphate ホスファターゼはSPP(S1P phosphohydorase)ファミリーとLPP(type2 lipid phosphate phosphohydrolase)ファミリーとに分けられる。これらの2つは配列・生物的性質も異なる。中でも最も異なる点は、SPPファミリーはS1P、dihydroS1P、phytoS1Pに高い基質特異性を示すが、LPPファミリーはS1P、phosphatidate(PA)、lysophosphatidate (LPA)、ceramide-1-phosphateやdiacylglucerol-pyrophosphateなど、広い基質を持っている点である。SPPとLPPの両方のタンパク質は次のような3つのモチーフを持っている。即ち、モチーフ1:KXXXXXXRP、モチーフ2:PSGH、モチーフ3:SRXXXXXHXXXDである。これらのモチーフは他のホスファターゼスーパーファミリー(lipid phosphatases、glucose-6-phosphatases、バクテリア非特異的酸ホスファターゼ、クロロペルオキシダーゼなど)でも発見されている。また、クロロペルオキシダーゼの結晶構造は、この3つのモチーフが近接していることを示し、コファクターであるバナジウム酸エステルの結合ポケットを形成しているのはこの3つのモチーフであることを明らかにした。そして、この3つの保存された領域の突然変異体の解析から、酵素活性の中心がここであることが示された。   Lipid phosphate phosphatases are divided into SPP (S1P phosphohydorase) family and LPP (type 2 lipid phosphate phosphohydrolase) family. These two also differ in sequence and biological properties. Among them, the most different point is that the SPP family shows high substrate specificity for S1P, dihydroS1P, and phytoS1P, but the LPP family has a wide range such as S1P, phosphatidate (PA), lysophosphatidate (LPA), ceramide-1-phosphate and diacylglucerol-pyrophosphate. It is a point that has a substrate. Both SPP and LPP proteins have the following three motifs: That is, motif 1: KXXXXXXRP, motif 2: PSGH, motif 3: SRXXXXXHXXXD. These motifs have also been found in other phosphatase superfamily (lipid phosphatases, glucose-6-phosphatases, non-bacterial acid phosphatases, chloroperoxidases, etc.). In addition, the crystal structure of chloroperoxidase showed that these three motifs are close to each other, and revealed that these three motifs form the binding pocket of the cofactor vanadate ester. . Analysis of mutants in these three conserved regions showed that the center of enzyme activity is here.

一方、植物の葉からの水分蒸散を抑制することで、植物の耐乾燥性を向上させることが研究されている。例えば、切花の鮮度を保持するために、葉からの水分蒸散を抑制する物質としてアミン化合物が使用されている(例えば、特許文献1)。しかしながら、この方法は、植物自体に耐乾燥性を持たせる方法ではない。   On the other hand, it has been studied to improve drought resistance of plants by suppressing moisture transpiration from the leaves of plants. For example, in order to maintain the freshness of cut flowers, an amine compound is used as a substance that suppresses moisture transpiration from leaves (for example, Patent Document 1). However, this method is not a method for imparting drought resistance to the plant itself.

特開2002−53402号公報JP 2002-53402 A

本発明は、以上の様な状況下なされたものであり、その課題・目的は、植物における細胞内スフィンゴシン 1-リン酸レベルの制御機構について研究を進め、産業上有用な葉の水分蒸散を調節する方法、植物の耐乾燥性を向上させる方法、さらには、植物の耐乾燥性を向上させる物質のスクリーニング方法などを提供することにある。   The present invention has been made under the circumstances as described above, and the problem and purpose thereof are to study the regulation mechanism of intracellular sphingosine 1-phosphate level in plants and regulate the water transpiration of industrially useful leaves. It is to provide a method for improving the drought resistance of plants, a screening method for substances that improve drought tolerance of plants, and the like.

本発明者は、上記の課題を解決するため、特に前記スフィンゴシン-1-リン酸ホスファターゼ(SPP)に着目し、SPPは植物においてスフィンゴシン 1-リン酸(S1P)の細胞内レベルを調節する上で重要な役割を果たし、S1Pによる気孔機能の調節機構に関与しているのではないかと考えた。そのため、A. thalianaよりSPP 遺伝子としてAtSPP1(以下、単に「SPP1」ともいう)遺伝子をクローニングし、酵素機能の解析および植物内でのSPPによる細胞内S1Pレベルの制御機構について鋭意検討を行った。さらに、SPP1遺伝子を欠損させたSPP1欠損体において水分蒸散量が抑制され、SPP遺伝子発現の抑制が植物の葉の水分調節に関与していること等を見出し、本発明を完成するに至った。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventor has paid particular attention to the sphingosine-1-phosphate phosphatase (SPP), and SPP regulates the intracellular level of sphingosine 1-phosphate (S1P) in plants. We thought that it plays an important role and is involved in the regulation of stomatal function by S1P. Therefore, AtSPP1 (hereinafter also referred to simply as “SPP1”) gene was cloned from A. thaliana as an SPP gene, and analysis of enzyme function and the mechanism of regulation of intracellular S1P levels by SPP in plants were conducted. Furthermore, the present inventors have found that the amount of water transpiration is suppressed in the SPP1 deficient in which the SPP1 gene has been deleted, and that the suppression of SPP gene expression is involved in the water regulation of plant leaves, thereby completing the present invention.

即ち、本発明は第1に、植物細胞でのスフィンゴシン-1-リン酸ホスファターゼの発現または活性を制御することによって葉の水分蒸散を調節する方法、とりわけ、植物細胞でのスフィンゴシン-1-リン酸ホスファターゼの発現または活性を抑制することによって葉の水分蒸散を抑制する方法、を提供するものである。   That is, the present invention firstly relates to a method for regulating leaf water transpiration by controlling the expression or activity of sphingosine-1-phosphate phosphatase in plant cells, particularly sphingosine-1-phosphate in plant cells. The present invention provides a method for suppressing water transpiration of leaves by suppressing the expression or activity of phosphatase.

後述の実施例にも示すように、スフィンゴシン-1-リン酸ホスファターゼ(SPP1)を欠損させたSPP1欠損体においては、野生株よりも水分蒸散量が有意に低下、抑制されている。また、植物に乾燥ストレスを与えるとSPP1遺伝子の転写レベルが低下するという後述の結果をあわせて考慮すると、SPP遺伝子は葉の水分蒸散を正に制御する機能をもった遺伝子であり、乾燥ストレス下ではその転写レベルが低下するものと考えられる。   As shown also in the below-mentioned Example, in the SPP1-deficient body in which sphingosine-1-phosphate phosphatase (SPP1) is deleted, the amount of water transpiration is significantly reduced and suppressed as compared to the wild type. In addition, taking into account the following results that the transcription level of the SPP1 gene decreases when drought stress is applied to plants, the SPP gene is a gene that has a function to positively control leaf water transpiration. Then, it is thought that the transcription level falls.

したがって、SPPの遺伝子発現または活性を制御することによって、植物の葉の水分蒸散を抑制し、あるいは促進することが可能である。すなわち、SPPは、植物においてスフィンゴシン 1-リン酸(S1P)の細胞内レベルの調節に関与して植物の気孔開閉のシグナル伝達を制御していると考えられるので、SPPの遺伝子発現または活性を制御することによって気孔開閉を制御し、葉の水分蒸散の調整、調節に利用することができる。   Therefore, by controlling the gene expression or activity of SPP, it is possible to suppress or promote water transpiration of plant leaves. In other words, SPP is thought to regulate the intracellular signal level of sphingosine 1-phosphate (S1P) in plants and regulates plant stomatal opening / closing signaling, thus controlling SPP gene expression or activity. By controlling the opening and closing of the pores, it can be used to adjust the moisture transpiration of the leaves.

また、SPPの遺伝子発現または活性を抑制することによって気孔からの水分蒸散を抑え、植物の耐乾燥性を高めることができる。これにより、例えば植物をしおれにくくし、つまり日持ちを良くして鑑賞植物の長寿命化に利用したり、従来生産困難であった乾燥地域での生産を可能にすることによって、鑑賞植物および農作物の生産地域の拡大に利用することができる。さらに、水分環境が十分ではない乾燥環境(乾燥ストレス)に強い植物を創出することができるので、砂漠の緑化用耐乾燥性植物の創出などに利用することも可能である。   In addition, by suppressing the gene expression or activity of SPP, moisture evaporation from the pores can be suppressed, and the drought resistance of plants can be enhanced. As a result, for example, by making plants less susceptible to wilting, that is, improving the shelf life and using them to extend the life of appreciation plants, or enabling production in dry areas that were difficult to produce in the past, It can be used to expand production areas. Furthermore, since it is possible to create a plant that is resistant to a dry environment (dry stress) where the water environment is not sufficient, it can also be used to create a drought-tolerant plant for desert greening.

さらに、前記スフィンゴシン-1-リン酸リアーゼ(SPL)の遺伝子発現または活性を制御することによって、気孔からの水分蒸散を調節し、また植物の耐乾燥性を向上できることが本発明者によって見出されている(特願2005−234607号)。したがって、同号明細書記載の方法と組み合わせて、SPPの遺伝子発現(又はその活性)の制御と共に、SPLの遺伝子発現(又はその活性)を制御する方法は、気孔からの水分蒸散を更に良好に調節し、植物の耐乾燥性をより向上することが期待できる好ましい方法である。   Furthermore, the present inventors have found that by controlling the gene expression or activity of the sphingosine-1-phosphate lyase (SPL), it is possible to regulate water transpiration from the pores and improve drought tolerance of plants. (Japanese Patent Application No. 2005-234607). Therefore, in combination with the method described in the same specification, the method for controlling the gene expression (or activity) of SPL together with the control of gene expression (or activity) of SPP can further improve water transpiration from the pores. This is a preferable method that can be expected to improve the drought resistance of plants.

SPPの遺伝子発現または活性を抑制する方法については、特に制限されるものではない。SPP遺伝子の発現量を抑制する方法としては、SPPゲノムを改変する方法(例えば後述のノックアウト法)、転写後に抑制する方法(例えば後述のRNAi法によるノックダウン法)が例示される。その他、SPP遺伝子の転写を選択的に阻害・抑制する方法であってもよいし、SPPのスプライシング,翻訳、翻訳後修飾の何れかのプロセスを選択的に阻害し、SPP蛋白の発現を特異的に抑制する方法であってもよい。後述の「スフィンゴシン-1-リン酸ホスファターゼの発現または活性を抑制する物質」としては、SPPの酵素活性を阻害・抑制する作用を持つ物質のほか、このようにSPP蛋白の発現を特異的に抑制する作用を持つ物質であってもよい。本発明は、このような物質を植物細胞、組織または植物個体に投与することによってSPPの発現または活性を抑制する方法も含まれる。   The method for suppressing the gene expression or activity of SPP is not particularly limited. Examples of the method for suppressing the expression level of the SPP gene include a method for modifying the SPP genome (for example, a knockout method described later) and a method for suppressing after transcription (for example, a knockdown method by an RNAi method described later). Other methods may selectively inhibit or suppress transcription of the SPP gene, or selectively inhibit any of the processes of splicing, translation, and post-translational modification of SPP and specifically express SPP protein. It may be a method of restraining. “Substances that suppress the expression or activity of sphingosine-1-phosphate phosphatase” as described below include substances that inhibit and suppress the enzyme activity of SPP, as well as specifically suppress the expression of SPP protein. It may be a substance having an action to act. The present invention also includes a method of suppressing the expression or activity of SPP by administering such a substance to a plant cell, tissue or plant individual.

SPP遺伝子の発現量を特異的に抑制する方法として、RNAi法を用いてもよい。例えば、人工的に作製したsiRNAを植物細胞内に導入する方法や、SPP特異的RNAi発現ベクターを作製し、これを植物細胞内に導入する方法などが例示される。SPP特異的RNAi発現ベクターは、(1)1本のRNAで適当な長さのヘアピン構造をもつdsRNAを対象細胞内で発現させるように設計されたもの、(2)センス鎖、アンチセンス鎖それぞれを対象細胞内で発現させ、会合させるように設計されたもの、のいずれであってもよい。RNAi発現ベクターを使用することにより、植物細胞においてSPP遺伝子の細胞内発現を持続的・安定的に抑制することができる。本発明は、このようなsiRNAやRNAi発現ベクターを植物細胞に導入することによってSPPの発現を特異的に抑制し、植物の耐乾燥性を高める方法、つまり、SPP発現を特異的に抑制するsiRNAやRNAi発現ベクターを植物の耐乾燥性向上剤として利用する方法をも含むものである。   The RNAi method may be used as a method for specifically suppressing the expression level of the SPP gene. For example, a method of introducing artificially produced siRNA into a plant cell, a method of producing an SPP-specific RNAi expression vector, and introducing it into a plant cell are exemplified. The SPP-specific RNAi expression vector is (1) designed to express dsRNA having a hairpin structure of an appropriate length in one cell with a single RNA, (2) sense strand and antisense strand, respectively. That are designed to be expressed and associated in the target cell. By using the RNAi expression vector, intracellular expression of the SPP gene can be continuously and stably suppressed in plant cells. The present invention is a method for specifically suppressing SPP expression by introducing such siRNA or RNAi expression vector into a plant cell, thereby enhancing the drought tolerance of plants, that is, siRNA that specifically suppresses SPP expression. And a method of using an RNAi expression vector as a drought tolerance improver for plants.

なお、本発明において植物細胞でのSPPの発現を抑制する方法としては、野生型と比べてSPPの発現量を実質的に低下させる方法であればよく、SPPの発現を完全に抑制するものでなくてもよい。   In the present invention, the method for suppressing the expression of SPP in plant cells may be any method that substantially reduces the expression level of SPP as compared to the wild type, and completely suppresses the expression of SPP. It does not have to be.

siRNAやRNAi発現ベクターの配列は特に限定されるものではなく、対象植物のSPP遺伝子配列をもとに公知の方法にしたがって任意に設計すればよい。例えば、シロイヌナズナのSPP1遺伝子について、配列表の配列番号1および図10にはそのcDNA配列が示される。この配列をもとに、シロイヌナズナのSPP1遺伝子の発現を特異的に抑制するsiRNAやRNAi発現ベクターを設計することが可能である。   The sequence of the siRNA or RNAi expression vector is not particularly limited, and may be arbitrarily designed according to a known method based on the SPP gene sequence of the target plant. For example, for the SPP1 gene of Arabidopsis thaliana, its cDNA sequence is shown in SEQ ID NO: 1 and FIG. Based on this sequence, it is possible to design siRNA and RNAi expression vectors that specifically suppress the expression of the SPP1 gene of Arabidopsis thaliana.

SPP遺伝子の発現を特異的に抑制するその他の方法としては、例えば、アンチセンスオリゴヌクレオチド、リボザイム、低分子化合物などを対象となる植物細胞、組織または植物個体に投与する方法が挙げられる。なお、本発明における「植物」の範疇には、植物個体のほか、植物の根、茎、葉、生殖器官(花器官および種子を含む)などの各種器官(特に葉)、各種組織、植物細胞などが含まれ、さらにはプロトプラスト、スフェロプラスト、誘導カルス、再生個体およびその子孫、なども含まれるものとする。また、本発明は双子葉植物に限らず、単子葉植物に適用してもよい。   Examples of other methods for specifically suppressing the expression of the SPP gene include a method of administering an antisense oligonucleotide, a ribozyme, a low molecular weight compound or the like to a target plant cell, tissue or individual plant. The category of “plant” in the present invention includes individual plants, various organs (particularly leaves) such as plant roots, stems, leaves, and reproductive organs (including flower organs and seeds), various tissues, and plant cells. In addition, protoplasts, spheroplasts, induced callus, regenerated individuals and their progeny are also included. Further, the present invention is not limited to dicotyledonous plants but may be applied to monocotyledonous plants.

SPP遺伝子の発現を特異的に抑制する更に他の方法として、ノックアウト(遺伝子破壊)法を挙げることができる。この方法はT-DNA、トランスポゾン等を利用してタグライン(遺伝子破壊株の集団)を作製し、この中からPCR等でSPP遺伝子が破壊された系統を選抜することにより、ゲノム中のSPP遺伝子がノックアウトされた変異体を得るものである(例えば、「細胞工学別冊 植物細胞工学シリーズ14 植物のゲノム研究プロトコール」(秀潤社)66−67頁、82−84頁参照)。   Still another method for specifically suppressing the expression of the SPP gene is a knockout (gene disruption) method. In this method, a tag line (a group of gene disruption strains) is prepared using T-DNA, transposon, etc., and the SPP gene in the genome is selected by selecting a line in which the SPP gene has been disrupted by PCR or the like. Is obtained (see, for example, “Cellular Engineering Supplement, Plant Cell Engineering Series 14: Genome Research Protocol for Plants” (Shujunsha), pages 66-67, pages 82-84).

SPP遺伝子を破壊するためのT-DNA、トランスポゾンの挿入位置としては、SPPの発現・活性を欠損または野生型に比べて著しく低下させることができれば、イントロン領域であってもよいしエクソン領域であってもよいし、あるいはプロモーター領域であってもよい。また、SPPの発現・活性を著しく低下させることができれば、SPPホモ欠損体に限らず、SPPヘテロ欠損体であってもよい。「著しく低下させる」とは、例えば野生型の発現または活性を100としたときに、SPPの発現または活性が80%以下、好ましくは50%以下、更に好ましくは30%以下になることを意味する。   The insertion position of T-DNA or transposon for disrupting the SPP gene may be an intron region or an exon region as long as SPP expression / activity can be significantly reduced compared to deletion or wild type. It may be a promoter region. Moreover, as long as the expression / activity of SPP can be remarkably reduced, not only SPP homo-deficient but also SPP hetero-deficient may be used. “Remarkably reduce” means that the expression or activity of SPP is 80% or less, preferably 50% or less, more preferably 30% or less, when the wild-type expression or activity is 100, for example. .

SPP遺伝子がノックアウトされたミュータントの選抜方法としては、使用するT-DNA等の塩基配列とSPP遺伝子の塩基配列とに基づいて、SPP遺伝子の領域にT-DNA等が挿入されたものを選抜することによって行うことができるが(後述の実施例参照)、この方法に限定されるものではない。得られたミュータントのカルスを再分化させることによりミュータントの植物個体を得ることができる。   As a method for selecting a mutant in which the SPP gene has been knocked out, a method in which T-DNA or the like is inserted into the SPP gene region is selected based on the base sequence of the T-DNA or the like and the base sequence of the SPP gene. However, the present invention is not limited to this method. Mutant plant individuals can be obtained by redifferentiating the mutant callus obtained.

上記ノックアウト(遺伝子破壊)法以外に、ゲノム中のSPP遺伝子の配列を人為的に改変することによって、植物細胞でのSPP遺伝子の発現を抑制してもよい。例えば、部位特異的変異導入法(Site-Directed Mutagenesis)等によってSPPの酵素活性に重要な領域に点変異などの変異を導入し、本来の活性を失ったSPP変異蛋白を発現するように改変する方法などが挙げられる。   In addition to the knockout (gene disruption) method described above, the SPP gene expression in plant cells may be suppressed by artificially modifying the sequence of the SPP gene in the genome. For example, site-directed mutation (Site-Directed Mutagenesis) is used to introduce mutations such as point mutations into regions important for the enzyme activity of SPP, and to modify SPP mutant proteins that have lost their original activity. The method etc. are mentioned.

本発明は、前述のようにSPPの機能解析の結果その機能に着目し、植物細胞でのSPPの発現又はその活性を制御することにより、葉の水分蒸散を調節する方法であり、発現・活性の制御は、発現・活性を抑制することと亢進することとの両方を含む意味である。SPPの発現又はその活性を亢進する方法としては、例えば、SPP発現ベクターを植物細胞内に導入してSPPを過剰発現させる方法や、SPPを活性化する薬剤を投与する方法などが挙げられる。SPPの発現・活性を高め、水分蒸散を促進することによって、植物の発育・生長を促進し、鑑賞植物等の生産力向上などに利用することが考えられる。   As described above, the present invention pays attention to the function of SPP as a result of functional analysis, and is a method for regulating leaf water transpiration by controlling the expression or activity of SPP in plant cells. This control includes both suppression of expression / activity and enhancement. Examples of the method for enhancing the expression of SPP or its activity include a method of introducing an SPP expression vector into a plant cell to overexpress SPP, a method of administering a drug that activates SPP, and the like. It is possible to promote the growth and growth of plants by increasing the expression and activity of SPP and promoting moisture transpiration, and to use it to improve the productivity of ornamental plants.

勿論、これまで説明した上記例示の方法に限らず、従来公知の種々の方法を適用してSPPの発現および活性を制御することができる。また、本発明以降に新たに開発された方法を使用するものであってもよい。   Of course, the present invention is not limited to the above-described exemplary methods, and various conventionally known methods can be applied to control the expression and activity of SPP. Further, a method newly developed after the present invention may be used.

前述のように、植物細胞でのSPPの発現又はその活性を抑制することによって気孔からの水分蒸散を抑え、植物の耐乾燥性を高めることができるので、スフィンゴシン-1-リン酸ホスファターゼの発現または活性を抑制する物質は、植物の耐乾燥性向上剤として有用であり、そのスクリーニング方法も本発明に含まれる。   As described above, by suppressing the expression of SPP in plant cells or its activity, it is possible to suppress moisture transpiration from the pores and increase the drought resistance of plants, so that the expression of sphingosine-1-phosphate phosphatase or Substances that suppress activity are useful as drought tolerance improvers for plants, and screening methods thereof are also included in the present invention.

本発明のスクリーニング方法としては、遺伝子・蛋白の発現量、酵素の活性変化等を調べる従来公知の種々の方法を適用することができ、特に限定されるものではない。また、本発明以降に新たに開発されたスクリーニング方法を使用するものであってもよい。in vitro及びin vivoスクリーニング系のいずれであってもよいし、cell-free systemでスクリーニングを行ってもよい。また、SPP遺伝子・蛋白は、シロイヌナズナ由来のもののほか、他の植物由来のものを使用してもよい。勿論、SPP蛋白の高次構造の情報を利用してスクリーニングを行ってもよい。   As the screening method of the present invention, various conventionally known methods for examining gene / protein expression levels, enzyme activity changes and the like can be applied and are not particularly limited. Moreover, you may use the screening method newly developed after this invention. Any of in vitro and in vivo screening systems may be used, and screening may be performed with a cell-free system. The SPP gene / protein may be derived from other plants besides those derived from Arabidopsis thaliana. Of course, screening may be performed using information on the higher order structure of the SPP protein.

以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明するが、本発明は下記実施例によって何ら限定されるものではない。   Hereinafter, examples of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the following examples.

[本実施例の要旨]
Arabidopsis thalianaからSPP遺伝子を単離し、植物においてSPPの機能解析を行った。まず酵母YSR2とのアミノ酸配列によるBLASTサーチを行い、A. thalianaのSPP1であると推定される遺伝子(AtSPP1)を見出し、クローニングした。単離した遺伝子がA. thaliana SPP1であることを証明するために、S. cerevisiaeのDPL 欠損株(Δdpl1)においてA. thaliana SPP1遺伝子を導入し、発現させることでDPL活性を相補するか調べた。スフィンゴシン存在下でΔdpl1はS1Pの蓄積により成長阻害される。一方、A. thaliana SPP1を発現させたΔdpl1は成長阻害を受けなかった。また、これらの形質転換体からスフィンゴシンおよびスフィンゴシン1-リン酸を抽出し、HPLCにより分析することでスフィンゴイドシン1-リン酸の脱リン酸化を確認した。これらのことから、今回単離した遺伝子が機能的にA. thaliana SPP1をコードしていることが示された。SPP1のA. thalianaにおける役割を調べるために、半定量的RT-PCR法を用いて、各器官の転写レベルを分析した。その結果、SPP1遺伝子は花で特にmRNA蓄積レベルが高かった。乾燥ストレスを与えたA. thalianaから経時的にmRNAを抽出し、半定量的RT-PCR法によって分析した結果、乾燥ストレスの時間が増加するに従ってSPP1遺伝子のmRNAの蓄積レベルが低下していた。SPP1のA. thaliana内での気孔開閉に関わる役割を検討するために、A. thaliana SPP1欠損体の水分蒸散量を調べた。その結果、SPP1欠損体では野生株よりも水分の蒸散量が約1/3に減少していた。これらの結果は、A. thalianaにおいてSPP1の発現制御が細胞内S1Pレベルを調節し、さらにこの調節を介して気孔開閉を制御し得ることを植物において実証するものである。
[Summary of this example]
We isolated the SPP gene from Arabidopsis thaliana and analyzed the function of SPP in plants. First, a BLAST search with an amino acid sequence with yeast YSR2 was performed, and a gene presumed to be SPP1 of A. thaliana (AtSPP1) was found and cloned. In order to prove that the isolated gene is A. thaliana SPP1, it was examined whether DPL activity was complemented by introducing and expressing the A. thaliana SPP1 gene in a DPL-deficient strain (Δdpl1) of S. cerevisiae . In the presence of sphingosine, Δdpl1 is inhibited by the growth of S1P. On the other hand, Δdpl1 expressing A. thaliana SPP1 was not subject to growth inhibition. In addition, sphingosine and sphingosine 1-phosphate were extracted from these transformants and analyzed by HPLC to confirm dephosphorylation of sphingoidin 1-phosphate. From these results, it was shown that the gene isolated this time functionally encodes A. thaliana SPP1. To investigate the role of SPP1 in A. thaliana, the transcription level of each organ was analyzed using a semi-quantitative RT-PCR method. As a result, the SPP1 gene was a flower, and the mRNA accumulation level was particularly high. As a result of extracting mRNA over time from A. thaliana subjected to drought stress and analyzing by semi-quantitative RT-PCR, the accumulation level of SPP1 gene mRNA decreased as drought stress time increased. In order to investigate the role of SPP1 in the opening and closing of the pores in A. thaliana, the amount of water transpiration of A. thaliana SPP1 deficient was examined. As a result, the transpiration amount of the SPP1-deficient was reduced to about 1/3 that of the wild type. These results demonstrate in plants that regulation of SPP1 expression regulates intracellular S1P levels in A. thaliana, and can further control stomatal opening and closing via this regulation.

[実験材料と方法]
[I]AtSPP1遺伝子の単離と機能活性
材料
シロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana) T87培養細胞は独立行政法人理化学研究所 バイオリソースセンターから購入した。この培養細胞からmRNAを抽出しcDNAとし、それをテンプレートにクローニングを行った。酵母Saccharomyces cerevisiae BY4741株、Δdpl1株(DPL:dihydro-sphingosin-1-phosphate 欠損株)はInvitrogen社から購入した。
[Experimental materials and methods]
[I] Isolation of AtSPP1 gene and functionally active material Arabidopsis thaliana T87 cultured cells were purchased from RIKEN BioResource Center. MRNA was extracted from the cultured cells to obtain cDNA, which was cloned into a template. Yeast Saccharomyces cerevisiae BY4741 strain and Δdpl1 strain (DPL: dihydro-sphingosin-1-phosphate deficient strain) were purchased from Invitrogen.

培養細胞からのRNAの抽出とcDNAの作製
1週間培養したT87培養細胞 0.1gを使用した。QIAGEN RNeasy Plant Mini Kit(50)を使用しRNAを抽出した。これをテンプレートに全RNAからcDNAを作製した。また、余分なRNAを除くためにRNaseH(Invitrogen)処理をした。
Extraction of RNA from cultured cells and preparation of cDNA
0.1 g of T87 cultured cells cultured for 1 week were used. RNA was extracted using QIAGEN RNeasy Plant Mini Kit (50). Using this as a template, cDNA was prepared from total RNA. In addition, RNaseH (Invitrogen) treatment was performed to remove excess RNA.

酵母からのRNAの抽出とcDNAの作製
YPD培地で16時間前培養したBY4741株をovernight本培養し、T87培養細胞と同様にRNAを抽出した。これをテンプレートに上記と同様にcDNAを作製し、RNaseH処理をした。
Extraction of RNA from yeast and preparation of cDNA
The BY4741 strain pre-cultured in YPD medium for 16 hours was cultured overnight, and RNA was extracted in the same manner as T87 cultured cells. Using this as a template, cDNA was prepared in the same manner as described above and treated with RNaseH.

インサートとベクターの調製
上記A. thalianaとBY4741のcDNAをテンプレートにN末端側領域とC末端側領域をPCRした。使用したプライマーは、下記表1のAtLCB3-F、AtLCB3-R2、YSR2-FおよびYSR2-R2である。
Preparation of Insert and Vector The N-terminal region and C-terminal region were subjected to PCR using the above A. thaliana and BY4741 cDNAs as templates. The primers used were AtLCB3-F, AtLCB3-R2, YSR2-F and YSR2-R2 in Table 1 below.

PCR産物を1%アガロースゲルで90分間電気泳動し、エチジウムブロマイドで染色し、共に約1200 bp付近のバンドを抽出した。また、pYES2ベクターを用いて大腸菌JM109への形質転換を行い、アンピシリンを含む液体培地で培養し、WizardTM Plus Minipreps(Promega)を用いてプラスミドDNAを調製した。こうして得られた2つのDNA溶液とプラスミドDNAを制限酵素Hind IIIとNot IでDouble Digestionを行った。
制限酵素処理後に10×loading bufferを加え、そのうちの5μLを0.5×TBE中で1%アガロースゲルで90分間電気泳動を行い、エチヂウムブロマイドで染色した。バンドをゲルから切り出し、GeneEluteTM MINUS EtBr SPIN COLUMN(SIGMA)を用いてDNAを精製した。
The PCR product was electrophoresed on a 1% agarose gel for 90 minutes, stained with ethidium bromide, and a band around 1200 bp was extracted for both. In addition, E. coli JM109 was transformed with the pYES2 vector, cultured in a liquid medium containing ampicillin, and plasmid DNA was prepared using Wizard Plus Minipreps (Promega). The two DNA solutions and plasmid DNA thus obtained were subjected to double digestion with restriction enzymes Hind III and Not I.
After restriction enzyme treatment, 10 × loading buffer was added, 5 μL of this was electrophoresed in 0.5% TBE for 90 minutes on a 1% agarose gel, and stained with ethidium bromide. The band was excised from the gel and the DNA was purified using GeneElute MINUS EtBr SPIN COLUMN (SIGMA).

ライゲーション反応
調製したインサートとベクターを、DNA ligation Kit Ver.2 SolutionI(TaKaRa)を使い16℃、2時間ライゲーション反応させた。
Ligation reaction The prepared insert and vector were subjected to a ligation reaction at 16 ° C for 2 hours using DNA ligation Kit Ver.2 Solution I (TaKaRa).

大腸菌への形質転換
ライゲーション反応液を使い、大腸菌JM109へのヒートショックによる形質転換を行った。形質転換体はアンピシリンを含むLB培地で37℃、16時間培養し、得られたコロニーを選抜しN末端側領域とC末端側領域(pYES2-F、pYES2-R)を用いたダイレクトPCRによりインサートの有無を確認した。インサートの存在が確認されたポジティブクローンは培養後WizardTM Plus Minipreps(Promega)を用いてプラスミドDNAを精製した。
Transformation into E. coli Using the ligation reaction solution, transformation into E. coli JM109 was performed by heat shock. Transformants were cultured in LB medium containing ampicillin at 37 ° C for 16 hours, and the resulting colonies were selected and inserted by direct PCR using the N-terminal region and C-terminal region (pYES2-F, pYES2-R). The presence or absence was confirmed. For positive clones in which the presence of the insert was confirmed, plasmid DNA was purified using Wizard Plus Minipreps (Promega).

シークエンスによるインサートの確認
精製したプラスミドDNA(0.20μg/μL)のインサート配列のシークエンスを行った。これによってインサートがAtSPP1とYSR2の正確な配列をしており、かつ正確に挿入されていることを確認した。使用したプライマーは、pYES2-F、pYES2-R、AtLCB3-F、AtLCB3-R2、SEQ-AtLCB3、YSR2-F、YSR2-R2、SEQ-YSR2-FおよびSEQ-YSR2-Rである。
Confirmation of Insert by Sequencing The insert sequence of purified plasmid DNA (0.20 μg / μL) was sequenced. This confirmed that the insert had the correct sequence of AtSPP1 and YSR2 and was inserted correctly. The primers used were pYES2-F, pYES2-R, AtLCB3-F, AtLCB3-R2, SEQ-AtLCB3, YSR2-F, YSR2-R2, SEQ-YSR2-F and SEQ-YSR2-R.

pYES2-AtSPP1とpYES2-YSR2の酵母Δdpl1への形質転換
上記pYES2-AtSPP1、pYES2-YSR2、およびpYES2(空ベクター)をそれぞれΔdpl1株に酢酸リチウム法で導入し、形質転換させた。これにより得られた形質転換体をそれぞれ、Δdpl1-pYES2-AtSPP1、Δdpl1-pYES2-YSR2、およびΔdpl1-pYES2とする。
上記形質転換体を用いて、10μM sphingosineを含む培地でAtSPP1による機能的相補性実験を行った。YPD培地(-ガラクトース,-スフィンゴシン)、最小培地(-ガラクトース,+10μMスフィンゴシン)および最小培地(+ガラクトース,+10μMスフィンゴシン)にそれぞれ、野生株(BY4741)、Δdpl1、Δdpl1-pYES2-AtSPP1、Δdpl1-pYES2-YSR2およびΔdpl1-pYES2をストリークし、28℃で培養した。Δdpl1は10μMスフィンゴシンにより成長阻害されるSphingoid basesリアーゼ欠損株であり、pYES2ベクターはガラクトースで誘導されるGal1プロモーターを持つ。
Transformation of pYES2-AtSPP1 and pYES2-YSR2 into yeast Δdpl1 The above pYES2-AtSPP1, pYES2-YSR2, and pYES2 (empty vector) were each introduced into the Δdpl1 strain by the lithium acetate method and transformed. The transformants thus obtained are designated as Δdpl1-pYES2-AtSPP1, Δdpl1-pYES2-YSR2, and Δdpl1-pYES2, respectively.
Using the transformants, functional complementation experiments were performed with AtSPP1 in a medium containing 10 μM sphingosine. YPD medium (-galactose, -sphingosine), minimal medium (-galactose, +10 μM sphingosine) and minimal medium (+ galactose, +10 μM sphingosine) were respectively wild strains (BY4741), Δdpl1, Δdpl1-pYES2-AtSPP1, Δdpl1- pYES2-YSR2 and Δdpl1-pYES2 were streaked and cultured at 28 ° C. Δdpl1 is a sphingoid bases lyase-deficient strain that is growth-inhibited by 10 μM sphingosine, and the pYES2 vector has a Gal1 promoter induced by galactose.

HPLCによるAtSPP1の活性測定
相補が確認された酵母形質転換株をそれぞれ50μMスフィンゴシンで2時間処理し、洗浄後、細胞を破砕しスフィンゴシンおよびスフィンゴシン1-リン酸を抽出した。C18カラムで逆相クロマトグラフィー分析を行った。
Measurement of AtSPP1 activity by HPLC Each yeast transformant confirmed to be complementary was treated with 50 μM sphingosine for 2 hours, washed, cells were disrupted, and sphingosine and sphingosine 1-phosphate were extracted. Reverse phase chromatographic analysis was performed on a C18 column.

[II]A. thaliana内におけるAtSPP1の解析
各器官におけるmRNA蓄積レベルの解析
本実施例で使用したA.thalianaはColumbia株である。MS寒天培地上で23℃、2,000lux(National FL 20S-PG 植物育成用ランプ)、明期16時間、暗期8時間の長日条件下で栽培した。根・茎・葉・花の各試料は上記条件で4週間栽培したものをそれぞれ100 mg使用した。QIAGEN RNeasy Plant Mini Kit(50)を使用しRNAを抽出した。これをテンプレートにcDNAを作製し、PCRを行った。はじめに、mRNAの転写量をそろえるために全組織で同程度に発現しているアクチン(Act2)遺伝子増幅用プライマー(At-Act2-FとAt-Act2-R)を使ってPCRを行った。その後、At-Act2のシグナル強度が一致した各器官のテンプレート量で、AtLCB3-FとAtLCB3-R2を使ってPCRを行い、AtSPP1のシグナル強度を測定し、根、茎、葉、花におけるmRNA蓄積レベルの違いを分析した。
[II] Analysis of AtSPP1 in A. thaliana Analysis of mRNA accumulation level in each organ A. thaliana used in this example is a Columbia strain. Cultivation was carried out on MS agar medium at 23 ° C. and 2,000 lux (National FL 20S-PG plant growing lamp) under long-day conditions of 16 hours light period and 8 hours dark period. 100 mg each of the root, stem, leaf, and flower samples grown under the above conditions for 4 weeks was used. RNA was extracted using QIAGEN RNeasy Plant Mini Kit (50). Using this as a template, cDNA was prepared and PCR was performed. First, PCR was performed using actin (Act2) gene amplification primers (At-Act2-F and At-Act2-R) expressed in the same degree in all tissues in order to align the amount of mRNA transcription. Then, PCR was performed using AtLCB3-F and AtLCB3-R2 with the template amount of each organ with the same signal intensity of At-Act2, and the signal intensity of AtSPP1 was measured, and mRNA accumulation in roots, stems, leaves, and flowers The level difference was analyzed.

乾燥ストレスによるAtSPP1 mRNA蓄積レベルの変化
植物体への乾燥ストレスの与え方は吉田らの方法に従って、乾燥ストレスにより発現誘導がかかるSRK2Eをポジティブコントロールとして以下のように行った(Yoshida et al. 2002)。MSプレート培地で育てた播種後4 週間のA. thalianaを用い、インキュベーター内でプレートの蓋を開けて放置することで乾燥ストレスを与えた。0、1、2、3 時間それぞれ経時的にストレスを与えたA. thalianaの葉から全RNAを抽出し、cDNAをそれぞれ調製した。コントロールをAt-Act2とし、ストレスを与えた各時間のAt-Act2のシグナル強度が一致する条件でAtSPP1のmRNA蓄積レベルの変化を分析した。
Changes in AtSPP1 mRNA accumulation level due to drought stress According to the method of Yoshida et al., SRK2E, whose expression is induced by drought stress, was used as a positive control in the following manner (Yoshida et al. 2002) . Using A. thaliana grown for 4 weeks after sowing grown on MS plate medium, drought stress was applied by leaving the plate lid open in an incubator. Total RNA was extracted from leaves of A. thaliana stressed over time for 0, 1, 2, and 3 hours, and cDNAs were prepared. The control was At-Act2, and the change in the mRNA accumulation level of AtSPP1 was analyzed under the condition that the signal intensity of At-Act2 at each time when stress was applied was the same.

[III]AtSPP1欠損A. thalianaを用いた機能解析
AtSPP1欠損体の単離
Salk Institute Genomic Analysis Laboratory によるシロイヌナズナの遺伝子破壊株の集団の中から、At3g58490にT-DNAが挿入されている種子を複数見出した(SALK_0489081、SALK_035202およびSALK_027084)。これらの種子をMS-カナマイシン培地(カナマイシン25 mg/ml)プレートに蒔き、カナマイシン耐性の個体の葉からゲノムDNAを調製した。これを鋳型として、AtSPP1ゲノム内の配列をもとに作製した下記プライマーI(primerI)とプライマーII(primerII)を用いたPCR、及び、プライマーI(primerI)とT-DNAのレフトボーダープライマーであるプライマーIII(primerIII)を用いたPCRを行った(図8)。そして、前者のPCRで増幅産物が得られず、後者のPCRで増幅産物が得られた3種類のAtSPP1欠損体(Int、Ex1、Ex2)を単離した。さらに、これらのAtSPP1欠損体の葉から全RNAを抽出し、RT-PCRを行ってmRNAの発現がないことを確認した。
primerI : 5’-ATGAAGAAGATTCTAGAAAGATC-3’ (14) Int,Ex1の場合
5’-CTACAAGTTAACGTAAGAGAATAGT-3’(15) Ex2の場合
primerII : 5’-CTACAAGTTAACGTAAGAGAATAGT-3’(15) Int,Ex1の場合
5’-ATGAAGAAGATTCTAGAAAGATC-3’ (14) Ex2の場合
primerIII: 5’-TGGTTCACGTAGTGGGCCATCG-3’ (16)
かっこ内の数字は配列表の配列番号を示す。
[III] Functional analysis using AtSPP1-deficient A. thaliana
Isolation of AtSPP1-deficient
We found several seeds with T-DNA inserted into At3g58490 (SALK_0489081, SALK_035202 and SALK_027084) from a population of Arabidopsis gene disruption strains by Salk Institute Genomic Analysis Laboratory. These seeds were sown on MS-kanamycin medium (kanamycin 25 mg / ml) plates, and genomic DNA was prepared from leaves of individuals resistant to kanamycin. Using this as a template, PCR using the following primer I (primerI) and primer II (primerII) prepared based on the sequence in the AtSPP1 genome, and primer I (primerI) and T-DNA left border primer PCR was performed using primer III (FIG. 8). Then, three types of AtSPP1-deficient bodies (Int, Ex1, Ex2) from which no amplification product was obtained by the former PCR and amplification products were obtained by the latter PCR were isolated. Furthermore, total RNA was extracted from the leaves of these AtSPP1-deficient bodies, and RT-PCR was performed to confirm that there was no mRNA expression.
primerI: 5'-ATGAAGAAGATTCTAGAAAGATC-3 '(14) Int, Ex1
For 5'-CTACAAGTTAACGTAAGAGAATAGT-3 '(15) Ex2
primerII: 5'-CTACAAGTTAACGTAAGAGAATAGT-3 '(15) Int, Ex1
5'-ATGAAGAAGATTCTAGAAAGATC-3 '(14) For Ex2
primerIII: 5'-TGGTTCACGTAGTGGGCCATCG-3 '(16)
The numbers in parentheses indicate the sequence numbers in the sequence listing.

AtSPP1欠損体における蒸散率測定
野生株およびAtSPP1欠損体の蒸散率は以下のように測定した。発芽日をそろえるためにMS培地に播種した。発芽後3週目に植物体をバーミキュライトへ植え替え、乾燥ストレスがかからないように、3日間湿度を高く保った。その後通常の育成条件に戻し、発芽後4週後の植物体の根を切り離し、光の影響などを受けないようにインキュベーター内で地上部の蒸散量を経時的に測定した。
Measurement of transpiration rate in AtSPP1-deficient body The transpiration rate of wild strain and AtSPP1-deficient body was measured as follows. In order to arrange the germination date, it was seeded in MS medium. Three weeks after germination, the plants were replanted into vermiculite, and the humidity was kept high for 3 days so that drought stress was not applied. Thereafter, the plant was returned to normal growth conditions, and the roots of the plant body 4 weeks after germination were cut off, and the transpiration amount of the above-ground part was measured over time in an incubator so as not to be affected by light.

[実験結果及び考察]
[I]Arabidopsis thaliana SPP1 (AtSPP1)遺伝子の単離および構造解析
酵母Saccharomyces cerevisiaeのYSR2 (accession number NC_001142)とのアミノ酸配列によるBLASTサーチを行い、モデル植物であるシロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana)より、スフィンゴシン-1-リン酸ホスファターゼ遺伝子(AtSPP1)をクローニングした。
クローニングしたAtSPP1 cDNAの塩基配列、およびそのコードするアミノ酸配列を図10(並びに配列表の配列番号1・2)に示す。AtSPP1のORFは1251bpであり、416アミノ酸残基からなり、等電点は8.23のタンパク質をコードしていた。また、AtSPP1ゲノムは第3染色体上に位置し、8個のエクソンからなる。
このAtSPP1アミノ酸配列と、既にクローニング、機能解析が行われている酵母やヒトのSPP1アミノ酸配列とのアライメントを行った結果を図1に示す。アライメント結果より、AtSPP1は、酵母やヒトのSPP1と同様にホスファターゼ活性に重要な3つのモチーフ(motif1:KXXXXXXRD、motif2:PSGH、motif3:SRXXXXHXXXD)を持っていた。これらのモチーフはバナジウム酸エステル結合モチーフである。AtSPP1は他のSPPとアミノ酸レベルでの相同性はIdentityが26.7%、Similaritiesが38.8%であった。相同性はあまり高いものではなかったが、酵母とヒト、または酵母とマウスなどを比べた場合も同様の傾向がある。
また、AtSPP1のハイドロパシー分析の結果を図2に示す。同図に示すように、AtSPP1においても、酵母のYSR2と同様にバナジウム酸エステル結合モチーフが確認され、また、膜貫通型の酵素であると考えられる。AtSPP1では、N末端側の約75個のアミノ酸がAtSPP1に特異的であった。さらに、AtSPP1の系統解析を行った結果、図3に示すように、AtSPP1は、SIPのみを基質にするSPP Familyに属すると判断された。
[Experimental results and discussion]
[I] Isolation and structural analysis of Arabidopsis thaliana SPP1 (AtSPP1) gene A BLAST search was performed with the yeast Saccharomyces cerevisiae YSR2 (accession number NC_001142), and sphingosine-1 was obtained from Arabidopsis thaliana -The phosphate phosphatase gene (AtSPP1) was cloned.
The base sequence of the cloned AtSPP1 cDNA and the amino acid sequence encoded by it are shown in FIG. 10 (and SEQ ID Nos. 1 and 2 in the sequence listing). The ORS of AtSPP1 is 1251 bp, consists of 416 amino acid residues, and encodes a protein with an isoelectric point of 8.23. The AtSPP1 genome is located on chromosome 3 and consists of 8 exons.
FIG. 1 shows the result of alignment of this AtSPP1 amino acid sequence with the yeast and human SPP1 amino acid sequences that have already been cloned and analyzed for functions. From the alignment results, AtSPP1 had three important motifs (motif1: KXXXXXXRD, motif2: PSGH, motif3: SRXXXXHXXXD) as well as yeast and human SPP1. These motifs are vanadate binding motifs. AtSPP1 homology at the amino acid level with other SPPs was 26.7% for Identity and 38.8% for Similarities. Although the homology was not so high, there is a similar tendency when yeast and human or yeast and mouse are compared.
Moreover, the result of the hydropathy analysis of AtSPP1 is shown in FIG. As shown in the figure, a vanadate binding motif was confirmed in AtSPP1 as well as YSR2 in yeast, and it is thought to be a transmembrane enzyme. In AtSPP1, about 75 amino acids on the N-terminal side were specific to AtSPP1. Furthermore, as a result of the phylogenetic analysis of AtSPP1, as shown in FIG. 3, AtSPP1 was determined to belong to the SPP Family using only SIP as a substrate.

[II]AtSPP1の酵母内における発現及び機能解析
AtSPP1による機能的相補性実験
A. thalianaのSPP1をコードしていると予想されるAtSPP1遺伝子のcDNAをクローニングしたが、この遺伝子がコードするタンパク質が機能的にSPP活性を持つことを、酵母のリアーゼミュータント(Δdpl1)を用いて確認した。Δdpl1はリアーゼ活性がないため、スフィンゴシンが含まれる培地ではS1Pが分解されずに蓄積するため成長阻害される。そこで、クローニングしてきたcDNAをΔdpl1に遺伝子導入し、タンパク質を発現させることで酵母のDPL活性を補うことができるか実験した。
[II] Expression and functional analysis of AtSPP1 in yeast
Functional complementarity experiments with AtSPP1
We cloned the cDNA of the AtSPP1 gene, which is expected to encode A. thaliana SPP1, and confirmed that the protein encoded by this gene has functional SPP activity using yeast lyase mutant (Δdpl1). confirmed. Since Δdpl1 has no lyase activity, growth is inhibited in a medium containing sphingosine because S1P accumulates without being decomposed. Therefore, an experiment was conducted to investigate whether the cloned DPL activity could be compensated by introducing the cloned cDNA into Δdpl1 and expressing the protein.

Δdpl1は10μM スフィンゴシンで成長阻害をうけた。しかし、pYES2-AtSPP1、pYES2-YSR2形質転換体は、ガラクトースによるGAL1プロモーターの発現誘導をかけると10μM スフィンゴシンを含む培地で生えてきた。一方、pYES2のみの空ベクターとΔdpl1は生えてこなかった(図4)。このことから、pYES2-AtSPP1とpYES2-YSR2の形質転換体はS1P感受性の形質を相補したといえる。S1Pを分解するSPLの形質が相補されたということは、AtSPP1がS1Pを分解する酵素活性を有していることを示している。さらに配列の相同性などの点から、クローニングしたAtSPP1は、S1Pホスファターゼ遺伝子と判断された。   Δdpl1 was inhibited by 10 μM sphingosine. However, the pYES2-AtSPP1 and pYES2-YSR2 transformants grew on a medium containing 10 μM sphingosine when the expression of the GAL1 promoter was induced by galactose. On the other hand, an empty vector containing only pYES2 and Δdpl1 did not grow (FIG. 4). From this, it can be said that the transformants of pYES2-AtSPP1 and pYES2-YSR2 complemented the S1P-sensitive traits. The fact that the SPL trait that degrades S1P is complemented indicates that AtSPP1 has an enzyme activity that degrades S1P. Furthermore, cloned AtSPP1 was determined to be an S1P phosphatase gene from the viewpoint of sequence homology.

HPLCによるAtSPP1の活性測定
Δdpl1においてAtSPP1を発現させ、sphingosine耐性を与えたことで機能的相補を確認したが、実際にS1Pを脱リン酸化していることを確認するためにHPLCを用いた活性測定を行った。Δdpl1-pYES2、Δdpl1-pYES2-YSR2(Δdpl1-YSR2)およびΔdpl1-pYES2-AtSPP1(Δdpl1-AtSPP1)からスフィンゴ脂質を抽出する前に、50 mM sphingosine培地で2 時間培養することによりsphingosineを吸収させた。酵母はsphingosineタイプのスフィンゴイド塩基を持たないため、sphingosineを吸収させることでS1Pを蓄積させ、SPPによるS1Pの脱リン酸化を確認するためにこの操作を行った。この結果を図5に示す。図示のように、Δdpl1-AtSPP1では、S1Pを脱リン酸化することができた。以上のAtSPP1における機能的相補試験およびHPLCを用いたin vivoでの分析により、AtSPP1がスフィンゴイド塩基 1-リン酸を脱リン酸化し、さらにS1Pを基質とすることが分かった。
AtSPP1 activity measurement by HPLC. AtSPP1 was expressed in Δdpl1 and functional complementation was confirmed by giving sphingosine resistance, but activity measurement using HPLC to confirm that S1P was actually dephosphorylated Went. Before extracting sphingolipids from Δdpl1-pYES2, Δdpl1-pYES2-YSR2 (Δdpl1-YSR2) and Δdpl1-pYES2-AtSPP1 (Δdpl1-AtSPP1), sphingosine was absorbed by culturing in 50 mM sphingosine medium for 2 hours . Since yeast does not have a sphingosine type sphingoid base, S1P was accumulated by absorbing sphingosine, and this operation was performed to confirm the dephosphorylation of S1P by SPP. The result is shown in FIG. As shown in the figure, Δdpl1-AtSPP1 was able to dephosphorylate S1P. The above functional complementation test in AtSPP1 and in vivo analysis using HPLC revealed that AtSPP1 dephosphorylates sphingoid base 1-phosphate and further uses S1P as a substrate.

[III]A. thaliana内におけるAtSPP1の機能解析
各器官におけるmRNA蓄積レベルの解析
A. thalianaにおけるAtSPP1の発現解析のために、各器官のmRNA蓄積レベルをsemi-quantitative RT-PCR法により分析した。At-Act2のシグナル強度が一致した根、茎、葉、花のテンプレート量でAtSPP1について分析した。この結果を図6に示す。図示のように、全ての器官でmRNAの発現はみられたが、根、茎、葉においてはAtSPP1のmRNA蓄積レベルに目立った差はなかった。しかし、花においては、根の約5 倍のAtSPP1のmRNAの蓄積が見られた。
[III] Functional analysis of AtSPP1 in A. thaliana Analysis of mRNA accumulation level in each organ
For the expression analysis of AtSPP1 in A. thaliana, the mRNA accumulation level of each organ was analyzed by the semi-quantitative RT-PCR method. AtSPP1 was analyzed using root, stem, leaf, and flower template amounts that matched the signal intensity of At-Act2. The result is shown in FIG. As shown in the figure, mRNA expression was observed in all organs, but there was no significant difference in AtSPP1 mRNA accumulation level in roots, stems, and leaves. However, in flowers, AtSPP1 mRNA accumulation was about 5 times that of roots.

乾燥ストレスによるAtSPP1 mRNA蓄積レベルの変化
次に、AtSPP1が細胞内S1Pレベルを調節することにより、気孔閉鎖のメカニズムの過程でどのように関わっているのかを調べるために、乾燥ストレスを与えることによるAtSPP1 mRNAの蓄積レベルを上記と同様の方法で調べた。この結果を図7に示す。図示のように、AtSPP1においては、乾燥ストレスを与える時間が増加するに従ってmRNA蓄積レベルは低下していった。この結果から、S1Pがシグナル伝達物質として作用する気孔閉鎖メカニズムにAtSPP1が関与し、細胞内S1P量を調節していることが考えられる。
Changes in AtSPP1 mRNA accumulation level due to drought stress Next, we examined AtSPP1 by applying drought stress to investigate how AtSPP1 is involved in the process of stomatal closure by regulating intracellular S1P levels. The accumulation level of mRNA was examined by the same method as described above. The result is shown in FIG. As shown in the figure, in AtSPP1, the mRNA accumulation level decreased with increasing time for applying drought stress. From this result, it is considered that AtSPP1 is involved in the stomatal closure mechanism in which S1P acts as a signal transmitter, and regulates the amount of intracellular S1P.

[IV]AtSPP1欠損A. thalianaを用いた機能解析
AtSPP1欠損体の単離
乾燥ストレスによるmRNA蓄積レベルの変化を調べた結果より、AtSPP1が欠損した植物体はS1Pが通常よりも蓄積すると考えられるため、乾燥ストレスに強い植物体になるのではと考えた。そこで、SALK種子を用いてAtSPP1が欠損している個体をスクリーニングした。その結果、3種類のAtSPP1欠損体(Int、Ex1、Ex2)が得られた(図8)。
即ち、WTと各AtSPP1欠損体から抽出したゲノムをテンプレートとして図8に各位置を示すプライマーでPCRを行った。その結果、プライマーI(primerI)とプライマーII(primerII)で行ったPCRでは、WTのみに約2,027 bpのシグナルが確認できた。また、プライマーI(primerI)とT-DNAのLBプライマー(primerIII)で行ったPCRでは、各AtSPP1欠損体(Int、Ex1、Ex2)のみに増幅バンドが確認できた。この結果より、各AtSPP1欠損体はホモでAtSPL1遺伝子が破壊されているといえる。また、シークエンス解析の結果、T-DNAは、Intでは第1イントロンに、Ex1では第2エクソンに、Ex2では第3エクソンにそれぞれ挿入されていることが分かった。
[IV] Functional analysis using AtSPP1-deficient A. thaliana
Isolation of AtSPP1-deficient plants Based on the results of examining changes in mRNA accumulation level due to drought stress, plants lacking AtSPP1 are thought to accumulate more S1P than normal, so we believe that they will become plants that are resistant to drought stress. It was. Therefore, individuals lacking AtSPP1 were screened using SALK seeds. As a result, three types of AtSPP1-deficient bodies (Int, Ex1, Ex2) were obtained (FIG. 8).
That is, PCR was carried out using primers extracted from WT and each AtSPP1 deficient as a template with the positions shown in FIG. As a result, in PCR performed with primer I (primerI) and primer II (primerII), a signal of about 2,027 bp was confirmed only in WT. In addition, in PCR performed with primer I (primerI) and T-DNA LB primer (primerIII), amplification bands were confirmed only in each AtSPP1-deficient (Int, Ex1, Ex2). From this result, it can be said that each AtSPP1-deficient body is homozygous and the AtSPL1 gene is disrupted. As a result of sequence analysis, it was found that T-DNA was inserted into the first intron in Int, the second exon in Ex1, and the third exon in Ex2.

AtSPL1欠損体における蒸散率測定
WTおよび各AtSPP1欠損体の蒸散率を調べた結果を図9に示す。WTと各AtSPP1欠損体とでは、その形態に相違は認められなかった。しかし、図9に示すように、WTは2 時間後には約70 %もの水分を蒸散により失っていた。一方、各AtSPP1欠損体では測定開始直後から明らかにWTよりも蒸散量は低い状態を維持し、例えばEx1では、2 時間後でも20 %程度の蒸散率であった。他のAtSPP1欠損体(Ex2及びInt)についても同様に蒸散率は低い状態を維持した。
AtSPP1欠損体ではSPP1がノックアウトされているため、WTよりもS1Pが植物体内に蓄積していると考えられる。したがって、測定開始直後から明らかな差が出たと考えられる。また、閉じていなかった気孔もS1Pが初めから多く存在しているため、結果的にWTよりも早く、そしてより多くの気孔を閉じることができたと考えられる。これらのことから例えばAtSPP1欠損体Ex1では最終的にWTよりも蒸散率が約3分の1減少するという結果がでたと考えられる。
Measurement of transpiration rate in AtSPL1-deficient body
The results of examining the transpiration rate of WT and each AtSPP1-deficient are shown in FIG. There was no difference in morphology between WT and each AtSPP1-deficient. However, as shown in FIG. 9, WT lost about 70% of the water by transpiration after 2 hours. On the other hand, in each AtSPP1-deficient body, the amount of transpiration was clearly lower than that of WT immediately after the start of measurement. For example, Ex1 had a transpiration rate of about 20% even after 2 hours. For other AtSPP1-deficient bodies (Ex2 and Int), the transpiration rate remained low.
Since SPP1 is knocked out in the AtSPP1-deficient body, it is considered that S1P is accumulated in the plant rather than WT. Therefore, it is considered that there was a clear difference immediately after the start of measurement. In addition, since there were many S1Ps from the beginning of the pores that were not closed, it was thought that as a result, more pores could be closed earlier than WT. From these facts, for example, it is considered that the transpiration rate of AtSPP1-deficient Ex1 finally decreased by about one third as compared with WT.

以上の結果より、今回初めて植物においてA. thalianaからAtSPP1を単離し、Δdpl1を用いた機能的相補実験およびHPLCによるin vivoでの分析によりSPP酵素活性を確認した。植物内では花においてAtSPP1のmRNA蓄積レベルが高かった。また、乾燥ストレスにより、AtSPP1のmRNAの蓄積が低下する。AtSPP1欠損体を用いた分析では、AtSPP1欠損体はWTよりも蒸散率が約3分の1減少するという結果を得た。これらのことから、SPPは動物細胞や酵母と同様に植物において細胞内S1Pレベルを調節しており、気孔開閉を調節していることが示唆された。   Based on the above results, AtSPP1 was isolated from A. thaliana for the first time in plants, and SPP enzyme activity was confirmed by functional complementation experiments using Δdpl1 and in vivo analysis by HPLC. In plants, the mRNA accumulation level of AtSPP1 was high in flowers. In addition, drought stress reduces AtSPP1 mRNA accumulation. In the analysis using AtSPP1-deficient, the transpiration rate of AtSPP1-deficient decreased by about 1/3 compared with WT. These results suggest that SPP regulates intracellular S1P levels in plants as well as animal cells and yeast, and regulates stomatal opening and closing.

以上のように、スフィンゴシン-1-リン酸ホスファターゼ(SPP)ホモ欠損体においてはS1Pが多く蓄積しているためにWTよりも気孔をより多く閉じていると考えられる。この結果から、SPPは気孔開閉の調節機構に関与し、SPPの発現量や活性を変化させることによって、水分量が十分にある環境下では気孔をできるだけ開かせて光合成を促進することに利用する一方、水分環境が十分ではない環境においては気孔閉鎖を促進させて乾燥ストレスに強い植物の創出などに利用できると考えられる。   As described above, in the sphingosine-1-phosphate phosphatase (SPP) homo-deficient body, a large amount of S1P is accumulated, so that it is considered that more pores are closed than WT. From this result, SPP is involved in the regulation mechanism of stomatal opening and closing, and is used to promote photosynthesis by opening the pore as much as possible in an environment with sufficient water content by changing the expression level and activity of SPP. On the other hand, in an environment where the water environment is not sufficient, it can be used to create plants that are resistant to drought stress by promoting pore closure.

以上のように、本発明は、植物細胞でのスフィンゴシン-1-リン酸ホスファターゼの発現または活性を制御することによって葉の水分蒸散を調節する方法、及び植物の耐乾燥性を向上させる方法に関するものであり、前述したとおり、鑑賞植物の長寿命化、鑑賞植物および農作物の生産地域の拡大、砂漠の緑化用耐乾燥性植物の創出などの分野において利用できるほか、産業上種々の分野への利用が可能である。   As described above, the present invention relates to a method for regulating leaf water transpiration by controlling the expression or activity of sphingosine-1-phosphate phosphatase in plant cells, and a method for improving drought tolerance of plants. As mentioned above, it can be used in fields such as extending the life of ornamental plants, expanding the production area of ornamental plants and crops, creating drought-tolerant plants for greening deserts, and in various industrial fields. Is possible.

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AtSPP1と他のホスファターゼとのアライメントを示す図である。It is a figure which shows alignment with AtSPP1 and another phosphatase. AtSPP1と酵母YSR2とのハイドロパシーの比較を示す図である。It is a figure which shows the comparison of the hydropathy of AtSPP1 and yeast YSR2. Lipid phosphate phosphatase系統解析結果を示す図である。It is a figure which shows the Lipid phosphate phosphatase system | strain analysis result. 酵母△dpl1株における機能的相補試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the functional complementation test in yeast (DELTA) dpl1 strain | stump | stock. AtSPP1の活性を測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the activity of AtSPP1. シロイヌナズナの各器官におけるAtSPP1のmRNAの蓄積量を示すグラフである。It is a graph which shows the accumulation amount of mRNA of AtSPP1 in each organ of Arabidopsis thaliana. 乾燥ストレス条件下でのAtSPP1のmRNAの蓄積量を示すグラフである。It is a graph which shows the accumulation amount of mRNA of AtSPP1 under drought stress conditions. AtSPP1欠損体の単離を示す図である。It is a figure which shows isolation of an AtSPP1 deletion body. AtSPP1欠損体と野生型における蒸散率の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the transpiration rate in an AtSPP1-deficient body and a wild type. AtSPP1の塩基配列とアミノ酸配列を示す図である。下線部分は、バナジウム酸エステル結合モチーフを示す。It is a figure which shows the base sequence and amino acid sequence of AtSPP1. The underlined portion indicates a vanadate binding motif.

Claims (8)

植物細胞でのスフィンゴシン-1-リン酸ホスファターゼの発現または活性を抑制することによって、葉の水分蒸散を抑制する方法。   A method for inhibiting leaf water transpiration by inhibiting the expression or activity of sphingosine-1-phosphate phosphatase in plant cells. 植物細胞でのスフィンゴシン-1-リン酸ホスファターゼの発現または活性を抑制することによって、植物の耐乾燥性を向上させる方法。   A method for improving drought tolerance of plants by suppressing the expression or activity of sphingosine-1-phosphate phosphatase in plant cells. 植物細胞でのスフィンゴシン-1-リン酸ホスファターゼの発現または活性を抑制すると共に、スフィンゴシン-1-リン酸リアーゼの発現または活性を抑制することによって、葉の水分蒸散を抑制する方法。   A method of inhibiting leaf water transpiration by inhibiting the expression or activity of sphingosine-1-phosphate phosphatase in plant cells and inhibiting the expression or activity of sphingosine-1-phosphate lyase. 植物細胞でのスフィンゴシン-1-リン酸ホスファターゼの発現または活性を抑制すると共に、スフィンゴシン-1-リン酸リアーゼの発現または活性を抑制することによって、植物の耐乾燥性を向上させる方法。   A method for improving drought tolerance of plants by suppressing the expression or activity of sphingosine-1-phosphate phosphatase in plant cells and suppressing the expression or activity of sphingosine-1-phosphate lyase. ゲノム中のスフィンゴシン-1-リン酸ホスファターゼ遺伝子をノックアウトすることによって、あるいは他の方法で当該遺伝子配列を改変することによって、スフィンゴシン-1-リン酸ホスファターゼの発現を抑制する、請求項1〜4の何れか1項に記載の方法。 The expression of sphingosine-1-phosphate phosphatase is suppressed by knocking out the sphingosine-1-phosphate phosphatase gene in the genome or by modifying the gene sequence by other methods . The method according to any one of the above. スフィンゴシン-1-リン酸ホスファターゼの発現を特異的に抑制するRNAを植物細胞に導入することによって、スフィンゴシン-1-リン酸ホスファターゼの発現を抑制する、請求項1〜4の何れか1項に記載の方法。 By specifically inhibiting RNA expression of sphingosine-1-phosphate phosphatase is introduced into a plant cell, suppress the expression of a sphingosine-1-phosphate phosphatase, according to any one of claims 1 to 4 the method of. スフィンゴシン-1-リン酸ホスファターゼの発現を特異的に抑制するRNA、または当該RNAを植物細胞で発現するよう構築されたベクターを含む、植物の耐乾燥性向上剤。 Sphingosine-1-specific RNA that suppresses expression of phosphoric acid phosphatase, or the RNA containing base compactors constructed to express in plant cells, drying resistance improver of plants. スフィンゴシン-1-リン酸ホスファターゼの発現または活性を抑制する物質を探索することを特徴とする、植物の耐乾燥性を向上させる物質のスクリーニング方法。   A screening method for a substance that improves drought tolerance of a plant, comprising searching for a substance that suppresses the expression or activity of sphingosine-1-phosphate phosphatase.
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