武田 征士　博士 （Cell and Developmental Biology, John Innes Centre）

2007年10月03日(水) 15:00

明大寺地区職員会館２階大会議室

所長室 岡田清孝 内線7650

植物細胞は、拡散成長（diffuse growth）または先端成長（tip growth）によって成長し、さまざまな形をとるようになる。先端成長とは細胞表面の一部だけで行われる成長をいい、これによって細胞は一方向に長く成長する。成長ポイントが細胞表面の一部に限られるこの成長様式では、一細胞内での極性の確立が重要であることを示している。この一細胞内でおこる極性確立のメカニズムを理解するため、我々はシロイヌナズナの根毛形成をモデルに研究を行っている。根毛細胞は先端成長によって長いチューブ状の形態をとり、水や無機栄養分の摂取に関わる。シロイヌナズナrhd2突然変異体の根毛細胞では、原基は正常に形成されるものの、その後の伸長が行われない表現型が観察され、根毛細胞の先端成長に異常があることが示唆されていた。RHD2遺伝子は、成長中の根毛細胞の先端での活性酸素種の産生に関わるNADPH oxidaseホモログをコードしている。活性酸素種の蓄積は根毛細胞の先端以外では見られないことから、RHD2による局所的な活性酸素種の産生が根毛細胞の先端成長に重要であることが示唆されていた。
  この局所的な活性酸素種産生がどのようなメカニズムで行われているのかを調べるため、GFPと融合させたRHD2を発現するシロイヌナズナを作製した。この植物を用いた解析から、（１）RHD2は根の表皮細胞で発現していること、（２）RHD2タンパク質は成長中の根毛細胞の先端に局在すること、（３）このRHD2タンパク質の局在は、ROP GTPaseに依存的であること等の結果を明らかにした。さらに我々は、RHD2の活性酸素種産生におけるリン酸化とカルシウムイオンの役割についても解析した。RHD2のN末領域には、リン酸化を受けると予想されるアミノ酸と、カルシウムイオンが結合するEFハンドモチーフに相同性を示すドメインがある。実験データから、我々はリン酸化とカルシウムイオンがRHD2の活性酸素種産生能を相乗的に活性化することを見出した。セミナーでは、極性をもった細胞成長に関わるRHD2の局在と活性化がどのようにして行われているのかについて討論する。



  Plant cells grow by either diffuse growth or tip growth to form their particular shapes. Tip growth is a highly polarized cell growth where the growth is restricted to the tip. This spatial localisation of growth highlights the importance of polarity establishment and maintenance within a single cell during morphogenesis. To understand how the polarity is established and maintained during cell growth we are investigating root hair development in Arabidopsis thaliana as a model system. Root hairs grow by tip growth to form long tubular structure and are involved in water and nutrient uptake. In Arabidopsis rhd2 mutant (root hair defective2) root hair bulges initiate normally but don’t elongate, suggesting that tip growth is defective in the mutant. RHD2 encodes a homolog of NADPH oxidase (Arabidopsis thaliana respiratory burst oxidase homolog C, AtrbohC) which is involved in the production of ROS (reactive oxygen species) at the growing hair tip. RHD2-derived ROS does not accumulate elsewhere in the cell indicating that the local production of ROS by RHD2 at the tip is crucial for the localisation of growth to the root hair tip.
  To discover how this local ROS production is controlled, we generated plants expressing RHD2 fused with GFP. Using these plants we found that (1) RHD2 is expressed in root epidermal cells, (2) RHD2 protein accumulates at the growing hair tip and (3) RHD2 localization is controlled by a ROP GTPase regulator. We also investigated the enzymatic activation system of RHD2. RHD2 carries putative phosphorylation sites and EF-hand motifs at its amino-terminal. We found that the ROS production capability of RHD2 is synergistically activated by phosphorylation and calcium. RHD2-derived ROS activate calcium channels and induce calcium influx to the hair apex, indicating the positive feedback regulation for maintaining the tip growth. I will discuss about the mechanism controlling spatial localization and activation of RHD2 during polarized cell growth.


Keywords; root hairs, tip growth, NADPH oxidase (respiratory burst oxidase homolog; RBOH), reactive oxygen species (ROS)


References;
Foreman et al., 2003, Nature 422, 442-446
Carol et al., 2005, Nature 438, 1013-1016