独立栄養生物である植物は土壌中の無機態窒素を吸収・同化し、さま ざまな生体物質を合成して成長して います。植物において、硝酸イオンは主たる窒素源として窒素同化に用いられるだけでなく、シグナル伝達 物質としても働きます。硝酸イオンのシグナル伝達物質としての機能は、硝酸還元および窒素同化に関わる 遺伝子の発現を変化させて窒素同化能力の調節を行う一方で、地上部と地下部のバランスや側根形成なども 調節しており、植物における成長制御と深く関わっています。しかしながら、硝酸シグナルの伝達と応答の 分子メカニズムは解明されていなかったことから、当研究室では、硝酸シグナルの伝達と応答の分子メカニ ズムの解明を目指して、硝酸シグナルに応答した遺伝子発現を制御するシス配列（NRE, nitrate-responsive element）を同定しました（Plant J. 63:269-282，2010; Plant Cell Physiol. 52:824-836，2011）。次に、そのシス配列に結合して硝酸シグナルを伝達する転写因子としてNLP転写因子を同定しました（Nat. Commun. 4:1617, 2013）。NLP活性を低下させると硝酸シグナルに応答した遺伝子発現が低下することを示して、硝酸シグナルの伝達機構においてNLP転写因子が中心的 な役割を担っていることを明らかにしました（Nat. Commun. 4:1617, 2013； J. Exp. Bot. 65:5589-5600, 2014）。
　NLP転写因子を手がかりに硝酸シグナルの伝達と応答の分子メカニズムの解析を進め、NLP転写因子 は硝酸イオンとの直接結合と硝酸イオン依存的なリン酸化によって活性化され、標的遺伝子の発現を促進す ることを明らかにしました。このことはNLP転写因子が硝酸センサーとしても機能していることを示して おり、これにより硝酸シグナル伝達機構の大枠を解明しました（Nature 545:311-316, 2017; Science 377:1419–1425, 2022）。 　
　NLP転写因子が制御している遺伝子の解析により、NLP転写因子は硝酸還元経路の代謝酵素や硝酸イ オン輸送体の遺伝子の発現を一括して活性化するとともに（J. Exp. Bot. 73:4323-4337, 2022）、植物ホルモンであるトランスゼアチン型サイトカイニンの合成に関わる遺伝子（Nat. Commun. 9:1376, 2018）、NADH合成で重要なアスパラギン酸オキシダーゼ遺伝子（Commun. Biol. 5:432, 2022）、葉緑体の発達や光阻害の緩和に関わる転写因子遺伝子（Curr. Biol. 32:5344-5353, 2022）の発現も直接制御していることを明らかにしました。これらの発見により、なぜ、硝酸シグナル伝達機構が植物の成長に重要なのか、その理由が明ら かになりつつあります。 　
　一方で、NLP転写因子によって発現が誘導される遺伝子の産物であるNIGT1転写抑制因子は、 NLP転写因子によって活性化された遺伝子発現を抑制することを発見して、硝酸シグナル応答が複雑に制 御されていることを明らかにしました（Nat. Commun. 9:1376, 2018； Plant Physiol. 193:2865-2879, 2023)。硝酸シグナル伝達機構とシグナル応答機構の全貌解明に向けて、さらに研究を進めています。

関連する公表論文と総説

• 柳澤修一 (2024) 第4章（窒素栄養の吸収と転流、窒素栄養のシグナル伝達）、植 物栄養学（第3版）（馬・信濃・高野編）、文永堂出版
• Ueda Y, Yanagisawa S. (2023) Transcription factor module NLP–NIGT1 fine-tunes NITRATE TRANSPORTER2.1 expression. Plant Physiol. 193:2865-2879.
• Ariga T, Sakuraba Y, Zhuo M, Yang M, Yanagisawa S. (2022) The Arabidopsis NLP7-HB52/54-VAR2 pathway modulates energy utilization in diverse light and nitrogen conditions. Curr. Biol. 32:5344-5353.
• Liu KH, Liu M, Lin Z, Wang ZF, Chen B, Liu C, Guo A, Konishi M, Yanagisawa S, Wagner G, Sheen J. (2022) NIN-like protein 7 transcription factor is a plant nitrate sensor. Science 377:1419–1425.
• Sakuraba Y, Zhuo M, Yanagisawa S. (2022) RWP-RK domain-containing transcription factors in the Viridiplantae: biology and phylogenetic relationships. J. Exp. Bot. 73:4323-4337.
• Saito M, Konishi M, Miyagi A, Sakuraba Y, Kawai-Yamada M, Yanagisawa S. (2022) Arabidopsis nitrate-induced aspartate oxidase gene expression is necessary to maintain metabolic balance under nitrogen nutrient fluctuation. Commun. Biol. 5:432.
• Konishi M, Okitsu T, Yanagisawa S. (2021) Nitrate-responsive NIN-like protein (NLP) transcription factors perform unique and redundant roles in Arabidopsis. J. Exp. Bot. 72:5735-5750.
• Konishi M, Yanagisawa S. (2019) The role of protein-protein interactions mediated by the PB1 domain of NLP transcription factors in nitrate-inducible gene expression. BMC Plant Biol. 19:90.
• Maeda Y, M Konishi, Kiba T, Sakuraba Y, Sawaki N, Kurai T, Ueda Y, Sakakibara H, Yanagisawa S. (2018) A NIGT1-centered transcriptional cascade regulates nitrate signalling and incorporates phosphorus starvation signals in Arabidopsis. Nat. Commun. 9:1376.
• Liu KH, Niu Y, Konishi M, Wu Y, Du H, Chung HS, Li L, Boudsocq M, McCormack M, Maekawa S, Ishida T, Zhang C, Shokat K, Yanagisawa S, Sheen J. (2017) Discovery of Nitrate-CPK-NLP signalling in central nutrient-growth networks, Nature 545:311-316.
• Maeda S, Konishi M, Yanagisawa S, Omata T. (2014) Nitrite transport activity of a novel HPP family protein conserved in cyanobacteria and chloroplasts. Plant Cell Physiol. 55:1311-1324.
• Konishi M, Yanagisawa S. (2014) Emergence of a new step towards understanding the molecular mechanisms underlying nitrate-regulated gene expression. J. Exp. Bot. 65:5589-5600.
  
• 小西美稲子, 柳澤修一（2014）植物の硝酸シグナル応答機構 -NIN様タンパク質が硝酸シグナル応答を司る-. 化学と生物 52: 421-423. [PDF]
• Suzuki W, Konishi M, Yanagisawa S. (2013) The evolutionary events necessary for the emergence of symbiotic nitrogen fixation in legumes may involve a loss of nitrate responsiveness of the NIN transcription factor. Plant Signal Behav. 8:e25975.
  
• Konishi M, Yanagisawa, S. (2013) Arabidopsis NIN-like transcription factors play a central role in nitrate signalling. Nat. Commun. 4: 1617. [Abstract]
• Konishi M, Yanagisawa S. (2011) Roles of the transcriptional regulation mediated by the nitrate-responsive cis-element in higher plants. Biochem. Biophys. Res. Commun. 411: 708–713. [Abstract]
• Konishi M, Yanagisawa S. (2011) The regulatory region controlling the nitrate-responsive expression of a nitrate reductase gene, NIA1, in Arabidopsis. Plant Cell Physiol. 52: 824-836. [Abstract]
• Konishi M, Yanagisawa S. (2010) Identification of the nitrate-responsive cis-element in the Arabidopsis NIR1 promoter defines the presence of multiple cis-elements for nitrogen response. Plant J. 63: 269-282. [Abstract]

リンク

Todai Research
窒素栄養の利用を制御する植物の仕組み
The plant mechanism controlling nitrogen utilization