Water uptakemovementflux Water flux per unit time Driving

水ポテンシャル Water uptake（movement/flux）： 細胞レベルでは アクアポリンはここ に関係（後述） Water flux*＝(駆動力）×（水の動きやすさ：透過性） （*per unit time） Driving force 水ポテンシャル差 Water potential difference water permeability

Molecular transport of water 　・・・　depends on water potential deference “Water potential” mainly consists in “concentration” and “presser” 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) Water molecule 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 「Semi-permeable membrane」 半透膜　Water can pass but solute minus (osmotic pressure) (M) cannnot. Why minuis？　　ψp＋ψosm＝０　（釣り合っている場合）

ψ1 ψ2 P P P ψosm: -0. 1 > -0. 5 ψp: 0 < 0. 4 (MPa) Water movement Water moves from high ψw to low ψw Water potential ψw = ψosm + ψp 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 1 MPa ≈ 0. 4 mol/litter ≈ 10 atm （気圧） 「膨圧」Turgor

(View from water potential) 動物細胞 Animal cells 植物細胞 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 Strong drought/salt stress Soil root

アクアポリンの機能・構造 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

Before discovery of aquaporins　（アクアポリン発見前）？ H 2 O 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"

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

Top view of AQP 1 (a) Ribbon diagram　(b)Space-filled one Side view of AQP 1 (c) Ribbon diagram　(d)Space-filled one Murata at al. (2000)　Nature 407: 599

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(Nodulin 26 -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 構造(structure) >30 genes 機能(function) substrates　 　　（H 2 O、CO 2、B、Si・・・） 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

細胞の水透過性をきめる 細 Determining cell water permeability （ 胞 外 土 壌 水 環 境 水透過性高い：細胞質の体積を維持 High permeability: maintain cytolasm ） • Wet 核 • Dry • Salt stress (variable) 液胞 Vacuole （細胞体積の９０％以上） (More than 90% volume) 細胞質（cytoplasm） Plasma-mambrane Cell wall

空中窒素 (air N 2) 窒素固定にも関係？ (Tyerman et al. ） Leguminos root cells マ メ 科 植 物 の 根 の 細 胞 Peribacteroid membrane ペリバクテロイド膜 Nutrition 栄養　 　 N 2　→　NH 3　 N-fixing bacteria 窒素固定菌 H 2 O　　 NOD 26 （NIP-type aqauporin）　　 Other susbstrate for other NIPs Si(OH)4 /As(OH)4　［Os. NIP 2; 1］， B(OH)3 ［ At. NIP 5; 1 ］

Rice aquaporins To be elucidated 個々の 機能 形質? 重複 11 Os. PIPs　(3 Os. PIP 1 s and 8 Os. PIP 2 s) in rice plants (PCP 46: 568 (2005)) Individual function Redundancy Phenotype

Water permeability (in oocyte system) (Barley PIPs) (Rice PIPs) Os. PIP 2　isoforms Hv. PIP 1; 1 ～　1; 5 and neg. cont. （透過性） Relative volume Hv. PIP 2; 1 ～　2; 5 Os. PIP 1　 isoforms Time (sec) (Horie et al. PCP 52: 663 (2011)) (Matsumoto et al. PCP 50: 216 (2009)) Low water transport activity of PIP 1 s in oocytes (apprentice) ┏ Immunofluoresence ┓ 抗Hv. PIP 2; 4抗体 抗Hv. PIP 1 s抗体 Hv. PIP 2; 4 単独発現 Hv. PIP 1; 2 単独発現 Hv. PIP 2; 4 -injection Hv. PIP 1; 2 -injection PIP 1は単独で膜へ移行しない No membrane localization PIP 1 s alone

2. 5 膜に行っていても 活性のない場合も 1 0. 5 4; 1 IP s. N O s. N IP 3; 3 3; 2 IP O 3; 1 s. N O IP 2; 2 s. N IP O s. N IP 2; 1 1; 1 IP O 2; 2 s. N IP O v. N H v. N IP 2; 1 1; 2 IP H 1; 1 v. N IP H (Katsuhara in preparation) H -0. 5 N C 0 v. N Hv. NIPs and Os. NIPs 1. 5 Pf (x 10 -2 cm sec-1) （透過性） 2 -1 -1. 5 EGFP-Os. NIP 2; 2 injection Bright field GFP fluorescence

構造・機能改変　Molecular engendering Amino acid sequence alignment of the region containing E-loop and the 6 th TMH of barley PIPs. いずれも　水輸送活性あり 254 M in Hv. PIP 2; 4 254 I in Hv. PIP 2; 3

NC Hv. PIP 2; 3 Wt(2 ng) Hv. PIP 2; 3 I 254 M(2 ng) 254 M can transport water Hv. PIP 2; 3 I 254 Y(2 ng) 254 Y cannot transport water 0 1 Pf (10 -2 m/s) 2 Hv. PIP 2; 4 M 254 I enhanced water transport activity Water transport activity can be artificially modulated