シンプラスト経路Symplast

アポプラスト経路 Apoplast

土壌水 　　 Soil water

根 　　 Root

カスパリー線 Casparian stripe

道管道管

xylem

細胞間連絡　 (plasmodesmata)通常は分子量１０００以下の物質が通過

実際の細胞はとてもよく水を透過させることが多い。

細胞（シンプラスト）に入るには問題が・・・・•　細胞をつつむ「膜」の基本組成は脂質（油っぽい）•　「水と油」だから、水の透過性は、ほどほど・・・

ドウヤッテ　ハイロウカ？

H2O

Casparian StripCasparian Strip

Symplast ：Solutes MUSTgo into the cell

Lipids

Water uptake （ movement/flux ）：

Water flux* ＝ ( 駆動力） × （水の動きやすさ：透過性） Driving force water permeability

水ポテンシャル差 Water potential

difference

（ *per unit time ）

水ポテンシャル 水ポテンシャル 細胞レベルではアクアポリンはここに関係（後述）

Molecular transport of waterMolecular transport of water　・・・　　・・・　 depends on waterdepends on water potential potential

deferencedeference“Water potential” mainly consists in

“concentration” and “presser”

「 Semi-permeable membrane 」半透膜　 Water can pass but solute (M) cannnot.

膨張しようとする (Swelling)

押しとどめるために必要な圧力（ P)

物理的圧力（静水圧） :「 Presser potential 」 ψp

・・・「 osmotic presser 」　　（ proposal to concentration ）「浸透圧」にマイナスをつけた

もの⇒　「 Osmotic potentail 」 ψosm minus (osmotic pressure)

Why minuis ？　 ψp ＋ ψosm ＝０　（釣り合っている場合）

MWater molecule

P

P

ψosm: -0.1 > -0.5(MPa)

Water moves from high ψw to low ψw

ψp: 0 < 0.4(MPa)

Water potential ψw = ψosm + ψp

ψ1 ψ2

Water movement

植物細胞では、これが 「膨圧」 Turgor 1 MPa ≈ 0.4 mol/litter ≈ 10 atm （気圧）

ψosm -0.1 > -0.5ψp 0 < 0.4

ψ -0.1 = -0.1

(ψ1 = ψ2)

+

+ ・・・

P

ψ1 ψ2ψ1 ψ2

動物細胞Animal cells

植物細胞Plant cells

(View from water potential)

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 wallInner 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

－　 0 　純水

Wet

Soil Root

Weak drought/salt stress

soil Root

Strong drought/salt stress

soil Root

細胞液の水ポテンシャルを下げる（浸透圧を上げる）

ψw

水ポテンシャ

ル

soil Root Soil root

ψw

核

液胞：無機イオン無機イオン KK++

(Na(Na++ 　　塩生植物）塩生植物） ClCl--

　　　　その他　　　　その他

細胞質：糖、アミノ酸、有機糖、アミノ酸、有機物質物質

細胞外

（

土

壌

）

水環境

乾燥塩ストレス

（細胞質には、ほぼ一定量（ 150mM くらい）の K+ あり）

細胞の水ポテンシャルを下げる（浸透圧を上げる）には・・・

細胞質に蓄積される特殊な有機物質　→

適合溶質（ compatible solute ）とよばれる浸透圧を上げるシャペロン活性スカベンジャー活性

ベタインとは、本来はアミノ酸のアミノ基に 3 つのメチル基が付いた化合物の総称。

H3N+- → (CH3)3N+-

もっとも存在量の多いグリシンベタイン（＝トリメチルグリシン）を、単にベタインと呼ぶことも多い。

タバコ葉の例（プロリン蓄

積）

グリシンベタインの合成系

塩ストレス誘導性

イネでは通常は基質不足左： 150 mM NaCl右： 150 mM NaCl + 5mM betaine aldelyde

Water flux* ＝ ( 駆動力） × （水の動きやすさ：透過性） Driving force water permeability

水ポテンシャル差 Water potential difference

表面積 × 面積当たりの水透過性Surface area water permeability per unit area 　　

Aquaporin determins this

（ *per unit time ）

アクアポリンの機能・構アクアポリンの機能・構造 造

Before discovery of aquaporins 　（アクアポリン発見前）？

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)

H2O

原形質膜（細胞膜）Plasma-membraene

液胞膜Tonoplast

Prof. Peter AgreNovel prize (Chemistry) "for the discovery of water channels"

　　　（機能）細胞の水透過性

脂質二重層より高い

「水チャネル」の存在が示唆される(water channels suggested)

　　（タンパク）生体膜に多量に存在する機能不明の膜タンパク CHIP28

PM28

　　　（遺伝子）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）

H2O

生体膜membranes

水チャネルアクアポリンAquaporin

H2O

10 ～ 100-hold higher water permeabiliyu with aqauporins

　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 Aquaporins as molecular basis

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、単に水透過性を高くするということではなく、透過性を制御できる、という点で大きな意味がある。Aquaporins ; 1) increase membrane water permeability

2) make it possible to regulate water permeability

Structure in the membrane

Structural features • 2 NPA motives• 6 Trans-membrane helixes (TMHs) and 5 inter-TMH loops• Phosphorylation targets

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

ＮＨＫ　２００７年５月９日放送

ヒトアクアポリン　１３個のアクアポリン（ AQP) 遺伝子がある

原尿からの水の再吸収（腎臓）　→　 AQP2

唾液　→　 AQP5 　（壊れると口腔乾燥症）

皮膚のみずみずしさ　→　 AQP3

涙　→　 AQP5 　（壊れるとドライアイ）

カネボウ化粧品スキンケアブランド「 suisai （スイサイ）」の高保湿クリーム「ヒアロインクリーム AP 」同社の「アクアポリン（肌における“水の

通り道”）研究」の成果を応用し、配合成分を強化した・・・

EtOH → AVP↓ → Exocytosis ↓ → AQP in PM ↓

植物のアクアポリン植物のアクアポリン(Plant aquaporins)(Plant aquaporins)

PIP(plasm-membrane…)

　　（原形質膜型）TIP(tonoplast….)

　　（液胞膜型）NIP(Nodulin26-like…)

SIP(small …) ER signaling?

XIP(x …)

Aquaporin = MIP (membrane intrinsic protein)

XIPs are found in some plants (tomato, cotton, moss) but functions are not yet known

Why many in plants?

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))

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

局在 (localization)細胞膜（ＰＩＰ）

液胞膜（ＴＩＰ）根粒菌包膜 (NIP)ER 膜 (SIP?)

構造 (structure) >30 genes機能 (function) substrates 　　　（ H2O 、 CO2 、 B 、 Si ・・・）

aquaporinaquaporin

生体膜

Stress tolerance 、 growth regulation 、 Post-harvesting

そもそも植物の膜輸送系遺伝子は多いそもそも植物の膜輸送系遺伝子は多い

ポンプトランスポーターチャネル

208種類 559種類101種類 「植物の膜輸送システム」（秀潤社）

より

シロイヌナズナでは

（すべての膜系あわせて）

動けない (no move)環境適 応性が高い (high adaptability)再分化／再生能力 (regeneration)

水透過性高い：細胞質の体積を維持High permeability: maintain cytolasm

細胞の水透過性をきめるDetermining cell water permeability

核

液胞 Vacuole（細胞体積の９０％以上）(More than 90% volume)

Plasma-mambrane Cell wall

細胞質（ cytoplasm ）

細胞外

（

土

壌

）

水環境•Wet•Dry•Salt stress(variable)

空中窒素 (air N2)

Peribacteroid membraneペリバクテロイド膜

N-fixing bacteria窒素固定菌

N2 　→　 NH3 　 H2O 　　

Nutrition 栄養　　

Legum

inos root cells

マメ科植物の根の細胞

NOD26（ NIP-type aqauporin ）　　

窒素固定にも関係？窒素固定にも関係？(Tyerman et al. ）

Other susbstrate for other NIPsSi(OH)4 /As(OH)4 　［ OsNIP2;1］， B(OH)3 ［ AtNIP5;1 ］

Rice aquaporins Rice aquaporins

0.1

OsNIP2;2

OsNIP3;1

OsNIP3;2

OsNIP3;3

NIPNodulin 26-like Intrinsic Protein

OsPIP2;7

PIP

Plasma membrane Intrinsic Protein

OsTIP3;1

OsTIP3;2

OsTIP4;1

OsTIP4;2

OsTIP4;3

TIPTonoplast Intrinsic Protein

OsSIP1;1

OsSIP2;1

SIPSmall basic Intrinsic Protein

11OsPIPs (3OsPIP1s and 8OsPIP2s) in rice plants (PCP 46:568 (2005)) Individual function

RedundancyPhenotype

To be elucidatedTo be elucidated

アフリカツメガエル卵母細胞による　 Swelling assay

H2O

アクアポリン

アフリカツメガエル卵母細胞(oocyte)

マイクロピペット cRNA

タンパク発現　膜ターゲティング

外液を 低張液に交換

水輸送活性測定

卵に水を吸わせる・・・　　　　　　　　　吸水が早くなるか？

なぜアフリカツメガエルの卵を使うなぜアフリカツメガエルの卵を使うの？の？

• アフリカツメガエルの卵に植物の遺伝子など外から RNA を注入すると、卵で RNA からタンパク質が合成される。内在性のタンパク質はほとんど発現していない。

• 卵は本来水の輸送活性が低いので、 RNA注入で多くの水を吸収した場合、合成されたタンパク質に水を運ぶ働きがあることになる。

• アフリカツメガエルは生命力が強く、飼育しやすい。また広く研究に使われており、入手が容易。

←20秒毎の写真を高速（実際の約 200 倍の早さ）で再生したもの多量の水が入り込んだため、卵が破裂し内容物が溶出している

HvPIP2;1-injected

Negative control (water-injected)

破裂→

オオムギアクアポリン遺伝子の一つ

アフリカツメガエル卵母細胞を使った異種遺伝子発現／機能解析系　

水輸送活性あり！

(Matsumoto et al. PCP 50:216 (2009))

OsPIP1 isoforms

OsPIP2 isoforms

Water permeability (in oocyte system)

Time (sec)

Rel

ativ

e vo

lum

e

1

1.05

1.1

1.15

1.2

1.25

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

HvPIP1;1

HvPIP1;2

HvPIP1;3

HvPIP1;4

HvPIP1;5

HvPIP2;1

HvPIP2;2

HvPIP2;3

HvPIP2;4

HvPIP2;5

Water

（透

過性

）

(Horie et al. et al. PCP 52:663 (2011))

(Barley PIPs) (Rice PIPs)

Low water transport activity of PIP1s in oocytes (apprentice)

HvPIP2;1～　 2;5

HvPIP1;1～　 1;5 and neg.

cont.

抗 HvPIP2;4抗体 抗 HvPIP1s抗体┏ Immunofluoresence ┓

HvPIP2;4-injection

HvPIP2;4単独発現

HvPIP1;2-injection

HvPIP1;2単独発現

PIP1 は単独で膜へ移行しないNo membrane localization PIP1s alone

膜に行っていても活性のない場合も

HvNIPs and OsNIPs

(Katsuhara in preparation)

（透

過性

）

Bright field GFP fluorescence

EGFP-OsNIP2;2 injection

構造・機能改変　構造・機能改変　 Molecular engenderingMolecular engendering

Amino acid sequence alignment of the region containing E-loop and the 6th TMH of barley PIPs.

いずれも　水輸送活性あり254M in HvPIP2;4 254I in HvPIP2;3

254M can transport water

254Y cannot transport water

HvPIP2;4M254I enhanced water transport activity

Water transport activity can be artificially modulated