【研究室紹介】太田・下嶋研究室

植物と藻類の膜脂質を介した環境ストレス応答と油脂生産

2016.11.10

生命理工学系にはライフサイエンスとテクノロジーに関連した様々な研究室があり、基礎科学と工学分野の研究のみならず、医学や薬学、農学等、幅広い分野で最先端の研究が活発に展開されています。

研究室紹介シリーズでは、ひとつの研究室にスポットを当てて研究テーマや研究成果を紹介。今回は、植物と藻類の膜脂質を介した環境ストレス応答と油脂生産の研究に取り組む、太田・下嶋研究室です。

※太田教授は2023年3月31日、東工大を定年退職しました。

教授太田啓之　准教授下嶋美恵

生命理工学コース
教授　太田啓之　准教授　下嶋美恵

キーワード	植物と藻類の脂質、光合成生物の進化、バイオエネルギー生産、植物ホルモンと環境応答
Webサイト	太田・下嶋研究室

研究紹介

太田啓之教授

地球上の多くの生命は、光合成を行う生物が生み出す酸素や炭水化物などの光合成産物を糧に生きています。私たちの研究室では、光合成生物の中でも特に長い地球の歴史において酸素や光合成産物の供給に大きく貢献してきた「藻類」と、現在の陸上環境においてその役割を担っている「陸上植物」の2つの生物を取り上げ研究を行っています。

私たちは2つの観点から藻類に着目して研究しています。

まず一つは、陸上植物の祖先として。

現在陸上で生活しているあらゆる生命は、もともと水中で暮らしていた生物が陸地に上がったと考えられています。

我々のような動物が陸上で生活するためには、陸上に繁茂する植物の存在が必須です。

それでは陸上植物はどのようにして水中よりも過酷な陸上に進出することができたのでしょうか？

私たちはその進化の過程に着目し、陸上植物の祖先と言われる藻類を材料として、安定な水の中に暮らしていた藻類がどのように乾燥や凍結、強光など陸上のストレスに耐え、その細胞を守るための仕組みを獲得していったかを明らかにしようと研究しています。

また一方、陸上に進出した植物が、動けないが故に、如何にして陸上の過酷で多様な環境に適応しているのか？

私たちはそのヒントが細胞を形作る膜の成分にあると考え、その生体膜を介した環境適応の仕組みを明らかにしようと研究しています。

私たちが藻類に着目するもう一つの理由は、藻類が再生可能エネルギーや化学原材料として有用なオイル（油脂）を生産する高い能力を秘めているからです。

特に藻類や植物が作る油脂の生合成のしくみの解明や、それを基にした生産量や質の改変にも取り組んでいます。

下嶋美恵准教授

環境変動に応じて、植物の葉の脂質組成は大きく変化し、ストレスに適応しようとします。

たとえば、植物はリン欠乏にさらされると、細胞膜やミトコンドリア膜に存在するリン脂質の大半を糖脂質に転換し、膜中に蓄積されていたリンをより重要な生体内の代謝系に使用します。これは、リン欠乏に順応すべく植物がもっている膜脂質転換機構であることがこれまでの私たちの研究により明らかになっています。

ところが、最近の私たちの研究により、このような“環境ストレスと脂質転換”は、より多面的であることがわかってきました。例えば、リン欠乏時のシロイヌナズナの葉では、上記の膜脂質転換だけでなく、通常葉では微量にしか存在しない貯蔵脂質（油脂、トリアシルグリセロール）が顕著に蓄積します。この貯蔵脂質は、リン欠乏以外の環境ストレスでも蓄積することが知られていますが、その分子メカニズムとストレス耐性における生理的意義についてはまだわかっていません。また、私たちが近年報告した、リン欠乏時の膜脂質転換に関わる脂質生合成の変異体は、リン欠乏耐性は低下しますが、一方で乾燥ストレス耐性は向上することがわかっています。これらのことは、植物は環境ストレスにおいて巧妙に脂質転換を調節し、その環境に順応していることを示唆しています。

私たちのグループでは、上記に挙げたような様々な環境ストレス順応における脂質転換の生理的意義の全容解明を目指して研究を進め、将来的には多面的な環境ストレスに耐性を持つ植物の開発につなげられたらと考えています。

研究成果

太田啓之教授

代表論文

葉緑体膜脂質の合成機構、環境応答、植物の進化

[1] Primitive Extracellular Lipid Components on the Surface of the Charophytic Alga Klebsormidium flaccidum and Their Possible Biosynthetic Pathways as Deduced from the Genome Sequence. (2016) Kondo S, Hori K, Sasaki-Sekimoto Y, Kobayashi A, Kato T, Yuno-Ohta N, Nobusawa T, Ohtaka K, Shimojima M, Ohta H. Front Plant Sci. 7,952.
[2] Tangled evolutionary processes with commonality and diversity in plastidial glycolipid synthesis in photosynthetic organisms. Hori K, Nobusawa T, Watanabe T, Madoka Y, Suzuki H, Shibata D, Shimojima M, Ohta H. (2016) Biochim Biophys Acta. Sep;1861(9 Pt B):1294-308. doi: 10.1016/j.bbalip.2016.04.015. Epub 2016 Apr 21.
[3] Manipulation of oil synthesis in Nannochloropsis strain NIES-2145 with a phosphorus starvation-inducible promoter from Chlamydomonas reinhardtii. (2015) Iwai M, Hori K, Sasaki-Sekimoto Y, Shimojima M, Ohta H. Front Microbiol. 6,912.
[4] The jasmonate-responsive GTR1 transporter is required for gibberellin-mediated stamen development in Arabidopsis. (2015) Saito H, Oikawa T, Hamamoto S, Ishimaru Y, Kanamori-Sato M, Sasaki-Sekimoto Y, Utsumi T, Chen J, Kanno Y, Masuda S, Kamiya Y, Seo M, Uozumi N, Ueda M, Ohta H. Nature Communications 6, 6095.
[5] Klebsormidium flaccidum genome reveals primary factors for plant terrestrial adaptation. (2014) Hori K., et al. Nature Communications 53,978.
[6] Arabidopsis lipins mediate eukaryotic pathway of lipid metabolism and cope critically with phosphate starvation. (2009) Nakamura, Y, Koizumi, R, Shui, G, Shimojima, M, Wenk MR, Ito T, Ohta H Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 20978-20983.
[7] Type B monogalactosyldiacylglycerol synthases are involved in phosphate starvation induced lipid remodeling and are crucial for low-phosphate adaptation. (2009) Kobayashi K, Awai K, Nakamura M, Nagatani A, Masuda T, Ohta H.Plant J. 57(2), 322-31.
[8] Galactolipid synthesis in chloroplast inner envelope is essential for proper thylakoid biogenesis, photosynthesis, and embryogenesis. (2007) Kobayashi K, Kondo M, Fukuda H, Nishimura M, Ohta H Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104, 17216-17221.
[9] Two types of MGDG synthase genes, found widely in both "16:3" and "18:3" plants, differentially mediate galactolipid syntheses in photosynthetic and non-photosynthetic tissues in Arabidopsis thaliana (2001) Awai K, Marechal E, Block M.A, Brun D, Masuda T, Shimada H, Takamiya K, Ohta H, Joyard J Proc. Natl. Acad. Sci. USA 98, 10960-10965
[10] Cloning of the gene for monogalactosyldiacylglycerol synthase and its evolutionary origin (1997) Shimojima M, Ohta H, Iwamatsu A, Masuda T, Shioi Y, Takamiya K Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 333-337.

植物ホルモン応答、共発現解析

[1] ATTED-II: a database of co-expressed genes and cis elements for identifying co-regulated gene groups in Arabidopsis (2007) Obayashi T, Kinoshita K, Nakai K, Shibaoka M, Hayashi S, Saeki M, Shibata D, Saito K, Ohta H Nucl. Acids Res. Database Issue, 863-869.
[2] Coordinated activation of metabolic pathways for antioxidants and defense compounds by jasmonates and their roles in stress tolerance in Arabidopsis thaliana (2005) Sasaki-Sekimoto Y, Taki N, Obayashi T, Aono M, Matsumoto F, Sakurai N, Suzuki H, Y-Hirai M, Noji M, Saito K, Masuda T, Takamiya K, Shibata D, Ohta H Plant J. 44, 653-668.
[3] 12-oxo-phytodienoic acid triggers expression of a distinct set of genes and plays a role in wound-induced gene expression in Arabidopsis (2005) Taki N, Sasaki-Sekimoto Y, Obayashi T, Kikuta A, Kobayashi K, Ainai T, Yagi K, Sakurai N, Suzuki H, Masuda T, Takamiya K, Shibata D, Kobayashi Y, Ohta H Plant Physiol.139,1268-1283.

主な日本語総説

[1] 中村友輝、太田啓之（2010）高等植物ホスファチジン酸ホスファターゼの膜脂質合成、シグナリングにおける機能　生化学　Vol 82 (12) 1137-1141.
[2] 下嶋美恵、小林康一、太田啓之、（2008）葉緑体チラコイド膜を構成するグリセロ糖脂質の生合成と機能　化学と生物　学会出版センター　46, 5, 330-338

主な著書

[1] 「植物ホルモンの分子生物学」1.7 ジャスモン酸関本（佐々木）結子、太田啓之

下嶋美恵准教授

代表論文

[1] An engineered lipid remodeling system using a galactolipid synthase promoter during phosphate starvation enhances oil accumulation in plants. (2015) Shimojima M, Madoka Y, Fujiwara R, Murakawa M, Yoshitake Y, Ikeda K, Koizumi R, Endo K, Ozaki K, Ohta H. Front Plant Sci. 6:664. 日経産業新聞、科学新聞、TBS「未来の起源」で紹介
[2] Monogalactosyldiacylglycerol synthesis in the outer envelope membrane of chloroplasts is required for enhanced growth under sucrose supplementation. (2014) Murakawa M, Shimojima M, Shimomura Y, Kobayashi K, Awai K, Ohta H. Front Plant Sci. 5:280.
[3] Monogalactosyldiacylglycerol synthesis in the outer envelope membrane of chloroplasts is required for enhanced growth under sucrose supplementation. (Murakawa M, Shimojima M, Shimomura Y, Kobayashi K, Awai K and *Ohta H.) (2014) Front. Plant Sci. 23: 280.
[4] Enhancement of extraplastidic oil synthesis in Chlamydomonas reinhardtii using a type-2 diacylglycerol acyltransferase with a phosphorus starvation-inducible promoter. (Iwai M, Ikeda K, Shimojima M and *Ohta H.) (2014) Plant Biotechnol. J. 12: 808-19.日経産業新聞、科学新聞に掲載
[5] Cyanobacterial monogalactosyldiacylglycerol-synthesis pathway is involved in normal unsaturation of galactolipids and low-temperature adaptation of Synechocystis sp. PCC 6803. (Yuzawa Y, *Shimojima M, Sato R, Mizusawa N, Ikeda K, Suzuki M, Iwai M, Hori K, Wada H, Masuda S and Ohta H.) (2014) Biochim. Biophys. Acta. 1841: 475-83.
[6] Differential regulation of two types of monogalactosyldiacylglycerol synthase in membrane lipid remodeling under phosphate-limited conditions in sesame plants. (Shimojima M, Watanabe T, Madoka Y, Koizumi R, Yamamoto MP, Masuda K, Yamada K, Masuda S and *Ohta H.) (2013) Front. Plant Sci. 4: 469.
[7] Temperature-dependent hyper-activation of monoglucosyldiacylglycerol synthase is post-translationally regulated in Synechocystis sp. PCC 6803. (Shimojima M, Tsuchiya M and *Ohta H.) (2009) FEBS Lett. 583: 2372-6.
[8] A chloroplastic UDP-glucose pyrophosphorylase from Arabidopsis is the committed enzyme for the first step of sulfolipid biosynthesis. (Okazaki Y, Shimojima M, Sawada Y, Toyooka K, Narisawa T, Mochida K, Tanaka H, Matsuda F, Hirai A, Hirai M Y, Ohta H and *Saito K.) (2009) Plant Cell 21: 892-909. Highly Cited Paper 2014
[9] Ferredoxin-dependent glutamate synthase moonlights in plant sulfolipid biosynthesis by forming a complex with SQD1. (Shimojima M, Hoffmann-Benning S, Garavito RM and *Benning C.) (2005) Arch. Biochem. Biophys. 436: 206-214.
[10] Native uridine 5(')-diphosphate-sulfoquinovose synthase, SQD1, from spinach purifies as a 250-kDa complex. (Shimojima M and *Benning C.) (2003) Arch. Biochem. Biophys. 413: 123-130.
[11] Cloning of the gene for monogalactosyldiacylglycerol synthase and its evolutionary origin. (Shimojima M, Ohta H, Iwamatsu A, Masuda T, Shioi Y and *Takamiya K.) (1997) Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 94: 333-337. 日経産業新聞掲載

主な総説

[1] Shimojima M and *Ohta H (2011) Critical regulation of galactolipid synthesis controls membrane differentiation and remodeling in distinct plant organs and following environmental changes. Prog. Lipid Res. 50: 258-66.
[2] *Shimojima M (2011) Biosynthesis and functions of the plant sulfolipid. Prog. Lipid Res. 50: 234-9.
[3] 岡咲洋三、下嶋美恵、太田啓之、斎藤和季（2009）脂質メタボローム解析でスルホ脂質生合成の鍵となる新規遺伝子を発見　バイオサイエンスとインダストリー　JBA 67(7); 342-346.
[4] 下嶋美恵、小林康一、太田啓之（2008）葉緑体チラコイド膜を構成するグリセロ糖脂質の生合成と機能　化学と生物46(5); 330-338

教員紹介

太田啓之教授（農学博士）

1987年	京都大学大学院農学研究科博士後期課程食品工学専攻修了（農学博士）
1987年	京都大学食糧科学研究所研修員
1988年	三井植物バイオ研究所研究員
1989年9月	国立基礎生物研究所協力研究員
1991年7月	東京工業大学生命理工学部助手
1997年1月	東京工業大学大学院生命理工学部助教授
2000年	東京工業大学大学院生命理工学研究科助教授
2007年	東京工業大学大学院生命理工学研究科准教授
2007年6月	東京工業大学バイオ研究基盤支援総合センター教授
2014年10月	東京工業大学大学院生命理工学研究科教授
2016年	東京工業大学生命理工学院教授
1998 - 1999年	フランスCNRS、CEA共同研究員

2009年	バイオインダストリー協会賞（共同受賞）、工学教育賞
2014年	手島精一研究論文賞

教育活動

学部：バイオ創造設計室室長、7類専門科目統括責任者、生命科学基礎、植物生理学

大学院：生物資源科学

所属学会: 日本植物生理学会（評議員）、日本植物学会（評議員）、日本脂質科学研究会（会計幹事）、光合成学会（幹事）

下嶋美恵准教授　博士（理学）

1998年3月	東京工業大学生命理工学研究科バイオサイエンス専攻博士課程修了
1998年4月	キリンビール株式会社基盤技術研究所常勤研究員
2000年4月	米国ミシガン州ミシガン州立大学客員研究員
2004年7月	産業技術総合研究所糖鎖工学研究センター非常勤職員
2005年4月	同上契約職員
2005年6月	東京工業大学大学院生命理工学研究科 21世紀COE特任助教
2009月4月	東京工業大学バイオ研究基盤支援総合センターゲノム情報解析分野特任助教
2009月8月	同上助教
2015月4月	現職
2012年4月 - 2016年3月	北里大学理学部非常勤教員兼任