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Elucidating the mechanisms of chloroplast collapse and zombification

Planned Research

Project AreaPlastid reprogramming dynamics
Project/Area Number 22H05078
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (III)
Research InstitutionEhime University

Principal Investigator

八丈野 孝  愛媛大学, 農学研究科, 教授 (10404063)

Project Period (FY) 2022-05-20 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥23,920,000 (Direct Cost: ¥18,400,000、Indirect Cost: ¥5,520,000)
Fiscal Year 2024: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
Fiscal Year 2023: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
Fiscal Year 2022: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
Keywordsオオムギうどんこ病菌 / 色素体 / プラスチド崩壊 / 葉緑体 / クロモプラスト / グリーンバイオニシア / 農奴化 / ゾンビ化 / うどんこ病菌
Outline of Research at the Start

高等植物の色素体は絶対寄生性病原菌との攻防の主戦場である。侵入された場合、表皮細胞においては貯蔵デンプン奪取のために一部の色素体は崩壊させられるが、侵入部位周辺の葉肉細胞においては防御の切札としての黄化が阻止され、葉緑体分化は強制的に維持されたまま、つまりゾンビ化した状態で光合成産物の供給を強いられる。病原菌による色素体の崩壊とゾンビ化の仕組みはおろか、隣接する細胞間で相反する制御を受ける分子メカニズムも全く不明である。本研究では低侵襲性シングルセル解析技術を基盤技術として、病原菌による色素体の崩壊・ゾンビ化の多細胞間制御のメカニズムを明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

高等植物の色素体は絶対寄生性病原菌との攻防の主戦場である。侵入された場合、表皮細胞においては貯蔵デンプン奪取のために侵入部位付近のプラスチドは崩壊させられる。一方、侵入された表皮細胞周辺の葉肉細胞においては、防御のための黄化が阻止され、葉緑体に分化した状態のままにさせ、光合成産物の供給を強いられ続けゾンビ化する。葉緑体が維持させられている領域のことをグリーンバイオニシア領域と呼んでいる。病原菌による色素体の崩壊とゾンビ化の仕組みはおろか、隣接する細胞間で相反する制御を受ける分子メカニズムも全く不明である。本研究では、色素体の崩壊が実際にどのように起きているのか、ゾンビ化した葉緑体がどのような構造をしており光合成活性はどの程度維持されているのかを明らかにしてきた。
うどんこ病菌が侵入する感染初期においては、プラスチドが崩壊することを明らかにしてきたが、どのように崩壊するのか微細構造はわかっていなかった。そのため、プラスチドをGFPで蛍光標識したオオムギ形質転換体を用いて侵入部位にプラスチドが集まっている状態の表皮細胞を集め、広域SEMに供試した。その結果、プラスチドの包膜が断片化している状態を観察することができた。
グリーンバイオニシアが形成される感染後期において、色素体の微細構造を解析したところ、うどんこ病菌直下の葉肉細胞では特徴的な構造を持つ色素体が存在していた。各領域間での光合成関連タンパク質の蓄積量を比較したところ、うどんこ病菌直下ではD1タンパク質が減少していることが明らかになった。光合成活性、色素体の構造、D1タンパク質の減少などを勘案すると、その色素体はクロモプラスト様プラスチドであることが示唆された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

プラスチドの崩壊メカニズムについては、トランスクリプトーム解析やプロテオーム解析をせずとも、微細構造からそのメカニズムについての手がかりを得ることができた。バイオニシア形成に関しても、光合成関連タンパク質の解析によって、クロモプラスト様プラスチドへの相転換メカニズムが存在することがわかってきており、その仕組みについてもD1タンパク質の転写あるいは翻訳制御がうどんこ病菌によって標的とされている可能性を見出すことができた。

Strategy for Future Research Activity

電子顕微鏡解析から想定以上の手がかりを得られているが、侵入時のプラスチド崩壊についてはさらに詳細な情報を得るために、時系列サンプルを収集し、固定作業を行なっている。侵入時のプロテオームデータはすでに取得済みなので、電顕データと照らし合わせながら、制御に関わる候補タンパク質を選定する。グリーンバイオニシア形成時のうどんこ病菌直下のクロモプラスト様プラスチドへの相転換メカニズムについては、トランスクリプトーム解析及びプロテオーム解析を行うためのサンプル調整を進める。D1タンパク質が減少するタイミングについては、経時変化をすでに調査済みであるため効率よくサンプル調整できる。各領域における色素(クロロフィル等)を測定することで色素体の構造との相関関係を解析する。プラスチド崩壊及びクロモプラスト分化に関与するオオムギうどんこ病菌のタンパク質候補を選抜し、それらのタンパク質の機能を生化学的に解析する。プラスチド崩壊を引き起こすかどうかを解析するためのシングルセルマイクロインジェクション技術をすでに確立している。同定されたタンパク質を大腸菌で合成して精製し、任意の1細胞にインジェクションしてプラスチド崩壊が誘導されるかを明らかにする。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (19 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 1 results) Presentation (16 results)

  • [Journal Article] Comprehensive survey of copper resistance and analysis of responsible genes in Pseudomonas syringae pv. actinidiae biovar 1 and biovar 3 isolates from Japan2024

    • Author(s)
      Aono Mitsuo、Miyoshi Takanori、Yagi Haruka、Shimizu Shinichi、Shinozaki Tsuyoshi、Yaeno Takashi、Kobayashi Kappei
    • Journal Title

      Journal of General Plant Pathology

      Volume: 90 Issue: 3 Pages: 134-143

    • DOI

      10.1007/s10327-024-01169-1

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Mechanisms for introducing 250 kDa fluorescent molecules and Cas9/sgRNA into plant cells by plasma treatment2023

    • Author(s)
      Ikeda Yoshihisa、Hamada Yuki、Ueshima Ryosuke、Kido Yugo、Yaeno Takashi、Kaya Hidetaka、Kobayashi Kappei、Jinno Masafumi
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 62 Issue: SL Pages: SL1015-SL1015

    • DOI

      10.35848/1347-4065/acd3f9

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] CRISPR/Cas9-based generation of mlo mutants for allelic complementation experiments to elucidate MLO function in barley2023

    • Author(s)
      Koide Hina、Hisano Hiroshi、Yaeno Takashi
    • Journal Title

      Journal of General Plant Pathology

      Volume: 89 Issue: 3 Pages: 153-158

    • DOI

      10.1007/s10327-023-01120-w

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 病原菌による色素体の破壊とリモート農奴化2023

    • Author(s)
      八丈野孝
    • Organizer
      日本植物学会
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      小出陽菜、長野眞依、渡邊隆文、小林括平、吉田健太郎、久野裕、八丈野孝
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      日本植物病理学会関西部会
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      日本植物病理学会関西部会
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      小出陽菜、鮎川侑、長野眞依、渡邊隆文、小林括平、吉田健太郎、久野裕、八丈野孝
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      ムギ類研究会
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      ムギ類研究会
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      在間玄香、鮎川侑、鈴木智子、長門香澄、小林括平、藤井祥、岩瀬哲、久野裕、小林康一、永田典子、八丈野孝
    • Organizer
      ムギ類研究会
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  • [Presentation] オオムギのプラスチド相転換ダイナミクス ~オオムギうどんこ病菌による表皮プラスチドの崩壊~2023

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      在間玄香、鮎川侑、鈴木智子、長門香澄、小林括平、藤井祥、岩瀬哲、久野裕、小林康一、永田典子、八丈野孝
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      ムギ類研究会
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      八丈野孝、小出陽菜、和根崎洸、片山貴博、井上智絵、香口智宏、小林括平、西内巧、中神弘史、山岡直人
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      日本植物学会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] オオムギうどんこ病菌エフェクターAPEC1の標的タンパク質であるグリコール酸オキシダーゼの機能解析2022

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      小出陽菜、片山貴博、井上智絵、香口智宏、小林括平、山岡直人、西内巧、中神弘史、八丈野孝
    • Organizer
      日本植物学会
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  • [Presentation] オオムギうどんこ病菌侵入細胞におけるプラスチド崩壊メカニズムの解析2022

    • Author(s)
      在間玄香、井上博、久野裕、松島良、小林括平、山岡直人、中神弘史、八丈野孝
    • Organizer
      日本植物学会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] レーザー熱膨張式マイクロインジェクション技術を利用したHR細胞死のシングルセル解析2022

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      岡久真也、小川翔也、清水茜、小林括平、吉田健太郎、八丈野孝
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      日本植物病理学会関西部会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] オオムギうどんこ病菌エフェクターAPEC1の標的タンパク質の解析2022

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      小出陽菜・片山貴博・井上智絵・香口智宏・小林括平・山岡直人・西内巧・中神弘史・八丈野孝
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      日本植物病理学会関西部会
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      福井奈緒・小林括平・八丈野孝
    • Organizer
      日本植物病理学会関西部会
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  • [Presentation] オオムギうどんこ病菌侵入細胞内のデンプン可視化によるプラスチド崩壊の動態解析2022

    • Author(s)
      在間玄香、井上博、久野裕、松島良、小林括平、山岡直人、中神弘史、八丈野孝
    • Organizer
      日本植物病理学会関西部会
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      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] オオムギうどんこ病菌に寄生する菌寄生菌の解析2022

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      福井奈緒・小林括平・八丈野孝
    • Organizer
      ムギ類研究会
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  • [Presentation] オオムギうどんこ病菌エフェクター候補APEC1の局在性と宿主標的候補2022

    • Author(s)
      小出陽菜、片山貴博、井上智絵、香口智宏、小林括平、山岡直人、西内巧、中神弘史、八丈野孝
    • Organizer
      ムギ類研究会
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      2022 Annual Research Report

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Published: 2022-05-25   Modified: 2024-12-25  

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