（6月24日）分

環境応答生理学 2015
Physiology of Environmental Responses
（４８４２０８）
江崎文一、且原真木（柴坂三根夫）
Ezaki, Katsuhara (Shibasaka)
Schedule
第5回（6/24）生理学とは、生体膜、植物栄養
水ストレス環境と水輸送系その１（理論的側面と分子機構）
What is physiology, Bio-Membranes, Plant Nutrition,
Water transport 1 (theory and molecular aspect)
第6回（7/8）水ストレス環境と水輸送系その２（アクアポリンの多様な機能）
塩ストレス環境とイオン輸送系その１（理論的側面と分子機構）
Water transport 2 (aquaporins)
Salt stress1 (theory and molecular aspect)
第7回（7/22）塩ストレス環境とイオン輸送系その２（イオン輸送の最新研究）
環境応答生理におけるシグナル伝達、細胞死
放射性物質、GMO
Salt stress1 (theory and molecular aspect), Signaling, Cell death
第8回（8/5) 柴坂先生（2時限分） Dr. Shibasaka (9:00-12:10)
Lecture and evaluation（Katsuhara）
• パワーポイントを使った講義です。 Lecture with PowerPoint
且原担当分のパワーポイントファイルは、且原のHPに載せます。
http://www.rib.okayama-u.ac.jp/MolecularPhysiology/katsuhara/katu_j.html
Or http://www.rib.okayama-u.ac.jp/MolecularPhysiology/katsuhara/katu_e.html
（検索）植物科学研究所 → 研究グループ → 分子生理機能解析グループ →
分子生理機能解析グループのホームページへ → スタッフ → 且原真木
• 本日（6/24）講義終了時にテーマに応じた課題の論文を１つ提示し
ます。これを読んできてもらい、次回（7/8）の前半を使って課題論
文の内容を発表、質疑をします。
I will give you a research article in today’s class (later) and you
will make a presentation at next class on 7/8
• 評価：講義への応答と課題論文への取り組み
Evaluation: Response to the class and the reading
What is physiology 生理学とは・・・・
観察された現象、応答、機能の実現機構を明らかに
すること（現代では細胞またはそれ以下のレベルで）
Input
W →
X
→ Y
(At cellular and molecular level)
???
Output
(interest)
刺激（環境変化など）で変化する因子Xが単なる相関では
ない(Not only correlation)というには・・・
• 時間経過はどうか（Time course)
• Xを止めると、以降の反応が止まるか（Block）
• Xを人為的に動かすと、最初（本来）の刺激がなくても最
終反応がおこるか（Mimic）
（参考までに）遺伝学(Genetics)とは
• 遺伝現象を交配実験などを通じて研究する、あるいは遺伝子
の機能を解明する、ＤＮＡを通じて遺伝学的研究をするのが
分子遺伝学
Genes and heredity mechanism (at DNA)
分子生物学(Molecular Biology)とは
• 生命現象における分子（中心は核酸）の機能／働きを理解
すること目的とする学問
Biological molecules (mainly nucleic acids)
生化学(Biochemistry)とは
• 生物体の構成物質および生物体内での化学反応を研究する
学問
Chemical materials of biological constrictions or reactions
生体膜と環境応答
Bio-membrane and environment
受容／応答シグナル変換
Perception, response, signaling
内部環境２
Internal environment 2
外部環境
内部環境１
External environment
Internal environment 1
内部環境３
Internal environment 3
環境応答において「膜」は最前線！
Front face to the environment
生体膜の構造と機能
Structure and function
(lateral diffusion)
(Outer)
(Inner)
(Flip-Flop)
極性部
(Polar head)
脂質（Lipid)
脂肪酸
(Fatty acids)
R1
R２
脂質の種類 Kind of lipids
脂肪酸 Fatty acids
(18:1 9-cis) あるいは(18:1(9))
（炭素数：不飽和結合数不飽和の場所-形状）
(Carbon:unsaturation numbers, place, type)
膜の物性は脂質、脂肪酸の種類によって大きく
変化する
Membrane property depends polar group
and fatty acids
脂質二重層状態からの相転移
(phase transition)
低温での流動性の低下
(fluidly under low temperature)
膜タンパクの活性制御
(membrane protein activity)
脂質と低温ストレス
Normal temperature
Low temperature
Non-symmetric of membrane
(Photosynthesis)
(Transfer cell)
Non-symmetric in tissue
二重層での非対象性 (Bi-layer)
Silicate transporter Lsi1（red） localization
EP: epidermis EX: exodermis
Ma et al. Nature 440:688 (2006)
Carbohydrate
chain
液胞の機能 Function of Vacuole
細胞質（cytoplasm）
核
Neutral
Red
≥ pH 7
液胞 (vacuole）
pH 5 ← some exception
Inorganic ions, organic acids, pigments,
amino acids, second metabolites,
storage proteins/ enzymes
• 内部が一般に酸性（強酸性・・・弱アルカリまで）
Internal acidification (some exception)
• 細胞体積の増大に寄与、細胞質体積維持に貢献
Cell expansion, volume maintenance
• 貯蔵と分解・・・２種類ある（らしい）
Storage and lytic vacuoles
• 新規に作ることのできる（らしい）
Can be newly generated
膜構造の多様性、可塑性、連続性
Diversity, Plasticity, Continuity of bio-membranes
• In one cell
• Between organelles
• Recycling
小胞輸送の分子機構
Molecules of vesicle trasnport
Materials, a living organism must “take” them to survive.
Water
Protein
Fertilizer is … Lipid
Carbohydrate
Vitamin
Mineral
Animal
Water
Lipid
Protein
Vitamin
Plant
Water
Mineral
Plant Nutrition
Carbohydrate
Mineral
Chemical elements,
Molecules
植物栄養
As plant nutrition, elements are classified to;
• 多量必須元素(Macro elements)
Essential
Content > 0.1% of Dry Weight
elements
• 微量必須元素(Micro elements)
1/1,000 ～1/10,000,000 of DW
• 有用元素(Beneficial elements)
( in some plants/environments)
• 有害元素(Toxic elements)
（No benefit, but only toxic/poisonous)
• Macro elements（>0.1% per dry weight）
O
C
H
N K
Ca P Mg S
• Micro elements （<0.1% per dry weight）
Fe Mn Cu Zn Mo B
Cl
Ni
• Beneficial elements
( in some plants/environments)
Si
Na（halophyte or some Ｃ４-plants）
Co（essential for animal symbiotic bacteria)
Al（improvement of growth in tea plants or
Miscanthus sinensis (Susuki in Japanese))
Se（Some peas require, also some animals）
• Macro elements（>0.1% per dry weight）
O
C
H
N K
Ca P Mg S
• Micro elements （<0.1% per dry weight）
Fe Mn Cu Zn Mo B
Cl
Ni
• Beneficial elements
( in some plants/environments)
Si
Na（halophyte or some Ｃ４-plants）
Co（essential for animal symbiotic bacteria)
Al（improvement of growth in tea plants or
Miscanthus sinensis (Susuki in Japanese))
Se（Some peas require, also some animals）
What is “essential” elements
All criteria must be met for an element to be considered essential.
(Original by Arnon and Stout (1939) with some modification)
1. A plant must be unable to complete its life cycle in
the absence of the mineral element.
Fe-deficiency
Young leaves appear
to be bleached
What is “essential” elements
All criteria must be met for an element to be considered essential.
(Original by Arnon and Stout (1939) with some modification)
1. A plant must be unable to complete its life cycle in
the absence of the mineral element.
2. The function of the element must not be replaceable
by another mineral element.
Osmotic adjustment
Na+ or K+
K+
vacuole
cytoplasm
Enzyme activity
What is “essential” elements
All criteria must be met for an element to be considered essential.
(Original by Arnon and Stout (1939) with some modification)
1. A plant must be unable to complete its life cycle in
the absence of the mineral element.
2. The function of the element must not be replaceable
by another mineral element.
3. The element must be directly involved in plant
metabolism or constituents.
欠乏、最適、毒性
Deficient, optimal, toxic, ….
10% growth loss
成長10%減
Optimal 適量域
(no symptom)
Growth (%)
Transient 遷移域
(symptom to
no symptom)
Toxic 毒性域
(symptom)
Narrow optimal
B, Cu ...
No toxic dose
C H O Si …
Deficient
(symptom
Lower limit
欠乏
徴候)
臨界濃度
Concentration in tissue
組織中の栄養濃度
No optimal dose
Toxic elements
植物生産と水
Plant production and water
2. Increase productivity
3. Use Efficiently nutrition
and water
「人口７０億人時代の食糧戦略」
（日経サイエンス２０１２年３月号）
Original: Scientific American 2011 Nov
世界の水問題 •
Global water crises
•
•
•
人口増加と社会の発展
Increase of population and
socialdevelopment
生活用水/農業用水不足
Shortage of water foir life and
agriculture
生態系への影響（水の汚染)
Environmental problem (wter
pollution)
氾濫地域への居住人口↑
（洪水被害の増大）
Population in flood area
世界の水需要と見通し
Global water demand (perspective)
世界経済フォーラム『グローバルリスク報告書』
（2015年1月15日発表版）より
日本人は、どのくらいの水を日々使っているか？（生活用水）
How much Japanese people use water per day (domestic water)
A)
B)
C)
D)
35
70
140
280
L
L
L
L
1人1日あたり Per day per person
Daily life water (Litter/person・day)
Domestic water (x108m3/year)
日本の水事情 Water in Japan
Agriculture
Industry
Daily life
一人一日平均
約2000リットル！
(2000L/person・day)
世界の水を使う日本（Virtual Water）
• 日本は多くの食料を輸入に依存している（Import)
• 食糧を生産するのには多くの水が必要
食パン(Bred)１斤：500～600 little
牛丼一杯(Beef bouwl)：約2000 little
Beef：１５００ little
Onion：a few little
Rice：５００ littele Virtual water import
Wheat and barley
Beef
第3会世界水フォーラム事務局資料より
（http://eco.goo.ne.jp/business/csr/ecologue/wave16.html）
地球にある「水」の分布と量
Water in the earth
地球の直径＝約１万３０００km
「みずものがたり」（ダイヤモンド社）より
朝日放送（テレビ朝日系）2008年3月9日放送
• 世界の水問題の深刻化は、私たちに無関係ではありません。
Global water crisis links to us
• 「農業灌漑は莫大な水を消費する。灌漑用水を１０％減らせば、
他の用途で使用される水全体より多くの水を節約できる。」
10% reduction of irrigation water saves more than all others
（前出日経サイエンス２００８年１１月号）(Scientific American)
植物科学からのアプローチ Plant Science
乾燥耐性（水の効率的利用）、耐塩性の解明と応用
Drought/salt tolerance (efficient water usage)
水吸収／輸送の分子機構解明
Mechanism of water uptake/transport
（生物が使える）
水の欠乏(lack of water)する場所
水が凍結(frozen)
寒冷地 (cold district)
陸地の約1/3
降雨(rain)＜蒸発(Evaporation)
沙漠（砂漠）desert
陸地の約1/3
蒸発(evaporation) → 乾燥
↓
(drought)
塩分が残る・・・高塩濃度によるストレス
(salt remains)
(salt stress)
Mineral
Water
Mineral
Na+↑
Water↓
Na+
Water
(Dehydration)
山陽新聞
2011年4月3日
Tsunamai
Death Valley
(USA)
New South Wales (Australia)
Salinity stress
Drought/osmotic stress
Ionic stress
(K+
deficiency／excess
influx)
Osmotic stress
Na+
Aquaporin
Dehydration
Na+ toxicity
Inhibitions of:
photosynthesis
protein synthesis
enzyme activity
<Signal transduction>
Inhibitions of:
water uptake
cell elongation
leaf development
(Cell death)
Ion homeostasis
Na+ extrusion/compartmentation/
K+ reabsorption
Osmotic adjustment
Accumulations of ions/solutes/organic
compounds
Recovery/Adaptation
A schematic summary of the stresses that plants suffer and resultant responses
of plants to detrimental effects for survival under high salinity.
塩
ス
ト
レ
ス
耐
性
•浸透圧ストレス耐性(Osmotic stress tolerance)
→ 水輸送の対応・研究 Water transport
イオンストレス耐性 (Salt stress tolerance)
→ イオン輸送系の対応・研究 Ion trasnport
アイスプラント
Ice plant
オオムギ
Barley
Water uptake（movement/flux）：
水ポテンシャル差 Water potential difference
Water flux*＝(駆動力）×（水の動きやすさ：透過性）
（*per unit time）
Driving force
water permeability
表面積×面積当たりの水透過性
Surface area water permeability per unit area
Aquaporin determins this
＜次回に詳しく＞
•All bacteria, animal and plants
•Membrane proetin with about 300 amino acids
•Two Asn-Pro-Ala motif
水ポテンシャルとは
“Water potential” mainly consists in
“concentration”（濃度） and “presser”（圧力）
物理的圧力（静水圧）:
「Presser potential」ψp
押しとどめるため
に必要な圧力（P)
M
膨張しようとする (Swelling)
・・・「osmotic presser」
（proposal to concentration）
「浸透圧」にマイナスをつけたもの
⇒ 「Osmotic potentail」ψosm
Water molecule
「Semi-permeable membrane」
半透膜
Water can pass but solute (M)
minus (osmotic pressure)
cannnot
Why minuis？
ψp＋ψosm＝０（釣り合っている場合）
ψ1 ψ2
ψ1 ψ2
ψ1 ψ2
P
P
P
ψosm: -0.1 > -0.5
ψp: 0 < 0.4
(MPa)
(MPa)
Water movement
Water moves from high ψw
to low ψw
Water potential ψw = ψosm + ψp
1 MPa ≈ 0.4 mol/litter ≈ 10 atm （気圧）
ψosm -0.1 > -0.5
0 < 0.4
+ ψp
ψ -0.1 = -0.1
(ψ1 = ψ2)
+ ・・・
植物細胞では、これが
「膨圧」Turgor
(View from water potential)
Animal cells
Plant cells
細胞膜 Plasma-membrane 細胞壁 Cell wall
•Inner ψosm = Outer ψosm
•Inner ψw = Outer ψw
•Inner ψosm ≠ Outer ψosm
•Presser at call wall
•Inner ψw = Outer ψw
土壌水分が足りない場合（乾燥地、塩ストレス）
At low water potential of soil (drought/ salt stress)
水
ポ
テ
ン
シ
ャ
ル
ψw
－ 0 純水
Soil
soil
Root
Weak drought/salt stress
Wet
細胞液の水ポテン
シャルを下げる
（浸透圧を上げる）
Root
水
ポ
テ
ン
シ
ャ
ル
ψw
soil
Root
soil
Root
Strong drought/salt stress
Soil
root
植物体においては（In plants) ・・・
シンプラスト経路
Symplast
アポプラスト経路
Apoplast
土壌水 → 根（カスパリー線） → 道管
Soil water root (casparian stripe) xylem
シンプラスト経路(symplast)
・・・生体膜（アクアポリン:aquaporin）を透過する
植物の水輸送とアクアポリン
Aqauporin and plant water transport
カスパリー線
casparian strip
（非透水層）
「植物の膜輸送システム」
（秀潤社）より
Before discovery of aquaporins？
H 2O
液胞膜
Tonoplast
原形質膜（細胞膜）
Plasma-membraene
After all, the message that appeared in textbooks was that water simply diffused
"somehow'' across plants membrane and proteins were not involved in these
processes.
Biophysicists continued to use pore models to explain membrane permeations
without seeking a molecular explanation.
A.R.Schaffner Planta 204:131-139 (1998)
Prof. Peter Agre
Novel prize (Chemistry)
"for the discovery of water
channels"
（生化学/タンパク）
（生理機能）
Physiological function Biochemistry, Protein
細胞の水透過性
多量に存在する機能
不明の膜タンパク
脂質二重層より高い (unknown protein)
High permeability
CHIP28
PM28
「水チャネル」の存在
が示唆される
(water channels suggested)
（遺伝子）
Molecular genetics
Major Intrinsic
Protein (MIP)
水晶体のレンズ
大腸菌のグリセ
ロール輸送体
（GlpF)
Aquaporin（アクアポリン）
植物の生育期間を通じて水の吸収と蒸散量は生重量の１００倍
代謝と成長に使われるのは、約５％
水輸送は、もっとも大量の膜輸送である。
→ その分子基盤がアクアポリン (base of water transport)
H2O
生体膜 Bio-memebrane
H2O
> x10 permeability
Water Channel
Aquaporin
水チャネルがあると膜の水透過性は10～100倍に高くなる。
Structure in the membrane
アクアポリンの機能（水透過）の活性調節に
関わるアミノ酸残基（植物の場合）
Regulatory regions
細胞がアクアポリンを持つことは、水透過性を高くする
ということだけではなく、透過性を制御できる、という
点で大きな意味がある。
Not only high water permeability, but also regulation of permeability
Top view of AQP1
(a) Ribbon diagram (b)Space-filled one
Side view of AQP1
(c) Ribbon diagram (d)Space-filled one
Murata at al. (2000) Nature 407:599
(Human aquaporins)
腎臓（集合管）における水再吸収を担う
アクアポリン（AQP2）
ヒトにおけるアクアポリン（ＡＱＰ）
分子種の分布とAQP2の働き
「みずみずしい体のしくみ」（クバプロ）
2005年第１９回「大学と科学」公開シンポジウム講演収録集
(Water re-absorption at kidony)
•ＮＨＫ２００７年５月９日放送
植物のアクアポリン
(Plant aquaporins)
Aquaporin =
MIP (membrane intrinsic protein)
PIP(plasm-membrane…)
（原形質膜型）
TIP(tonoplast….)
（液胞膜型）
NIP(Nodulin26-like…)
SIP(small …) ER signaling?
XIP(x …)
シロイヌナズでは３５個のMIP
(35 Major Intrinsic Protein in Arabidopsis)
(ヒトでは１３個(human)、微生物は１から２個(bacteria))
XIPs are found in some plants (tomato,
cotton, moss) but functions are not yet
known
Why many in plants?
生育ステージ：発芽、成長、生殖、結実
環境変化：乾燥←→湿潤
Regulation by; humiditiy、salt stress、light、temeperature、others
乾燥状態塩分光温度その他いろいろ
構造(structure) >30 種類
機能(function) 輸送基質
（H2O、CO2、B、Si・・・）
aquaporin
生体膜
局在(localization)
細胞膜（ＰＩＰ）
液胞膜（ＴＩＰ）
根粒菌包膜(NIP)
ER膜(SIP)
Stress tolerance、growth regulation、Post-harvesting
ストレス耐性
成長制御
収穫後
Rice aquaporins (phylogenic tree)
NIP
Nodulin 26-like Intrinsic
OsNIP2;2 Protein
11OsPIPs (3OsPIP1s and 8OsPIP2s)
in rice plants (PCP 46:568 (2005))
OsNIP3;1
Water permeability (in oocyte system)
OsNIP3;2
OsSIP2;1
OsNIP3;3
SIP
OsSIP1;1
OsPIPs cRNA
Small basic Intrinsic OsTIP4;3
Protein
OsTIP4;2
OsPIP2;7
OsTIP4;1
TIP
Swelling assay
OsTIP3;2
Tonoplast Intrinsic
Protein
Aquaporin
OsTIP3;1
PIP
Plasma membrane Intrinsic
Protein
0.1
個々の
機能
形質?
重複
H2O
Why PIP1 and PIP2?
アフリカツメガエル卵母細胞機能発現系での共発現（相互作用）
２型ホモテトラマー
１型と２型のヘテロテトラマー
（InjectionしたRNA量）
植物組織（オオムギ根）
内皮
皮層
表皮
H2O
道管
<Apoplastic or Symplastic >
Root hair
PIP1とPIP2が共発現
主にPIP1s
主にPIP2s
（HvPIP2;2)
分子間相互作用による活性制御を組織
ごとに使い分けている可能性
Paper reading in the next class (July 8)
Cytosolic pH regulates root water transport during
anoxic stress through gating of aquaporins.
Nature 425:393-397 (2003)
Colette Tournaire-Roux, Moira Sutka, He´ le`ne Javot, Elisabeth Gout,
Patricia Gerbeau, Doan-Trung Luu, Richard Bligny, & Christophe Maurel
•One student has responsibility to one figure
that will be explained in the next class.
•Some reference in the next page.
水があっても根が水を吸えなくなるという現象
酸素不足（過湿／冠水）・・・畑作物の場合
呼吸が充分おこなえない → 地上部のしおれ
枝豆の被害例
（2007年６月、鶴岡市140ha、４８００万円の被害）
他にも・・・イネの場合、冷温下で根の吸水能力が低下／生長遅延
細胞質無機リン酸 [Pi]cyt
液胞無機リン酸 [Pi]vac
In vivo intracellular pH
measurement
（非破壊細胞内pH測定法）
ATP-γ-P
オオムギ根の測定例(Katsuhara et al. PCP 38:155, 1997)
特定波長のマイクロ波を吸収
核の状態→化学シフト(chemical shift)
NMR:
31P-nuclear magnetic resonance
H2PO4磁場＋マイクロ波
HPO42-
PO43-
(pH dependent)
Cell pressure probe（細胞内圧測定法）
Root pressure probe
（根の水透過性測定）
マイクロピペット
 
出液速度≈根の表面
J v  L p  Ar p
積×水透過性×圧力
根から入った水が
L p 通水コンダクタンス [m s-1 MPa-1]
切断端から押し出
J v 出液速度 [m3 s-1]
されて出てくる（集
Ar 根の表面積 [m2]
めて計量）
cRNA
p 根に加えた静水圧 [MPa]
水耕液
Aquaporin
MPa
プレッシャー
チャンバ
圧力計
圧縮空気で加圧
Oocyte
（アフリカツメガエル卵母細胞）
H2O
Swelling assay
（アクアポリンの
水透過性測定）

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