Cysteine-rich peptides as symbiotic strategic molecules common to plants and insects

• Project/Area Number: 15K14899
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Insect science
• Research Institution: Kagoshima University
• Principal Investigator: Uchiumi Toshiki 鹿児島大学, 理工学域理学系, 教授 (20193881)
• Research Collaborator: Shigenobu Shuji 大学共同利用機関法人自然科学研究機構 基礎生物学研究所, 生物機能解析センター 生物機能情報分析室
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2017: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2016: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2015: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: ブフネラ / アブラムシ / 共生 / システインリッチペプチド / マメ科植物 / 根粒

Outline of Final Research Achievements

Bacteriocyte cysteine-rich peptides (BCRs), which are specific to the symbiotic organ of aphids, are investigated to be clarified whether they are essential to symbiosis with the endosymbiont Buchnera.
Six out of seven BCRs of the pea aphid, Acyrthosiphon pisum, were synthesized, and their physiological activities were examined using E. coli and Sinorhizobium meliloti as test strains. Five BCRs increased membrane permeability and four BCRs exhibited strong antimicrobial activity. RNAi of one of the BCR genes showed a negative correlation between the expression of the BCR gene and the transcriptional activity of Buchnera. These results suggest that BCR may be required to control the endosymbiont, similar to the nodule specific cysteine-rich peptides in legumes.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

マメ科植物の根粒特異的なシステインリッチペプチド（NCR）は、根粒菌との共生に必須である。本研究により、アブラムシのBCRは、マメ科植物のNCRと生理活性も同じであることが判明した。独立した進化をたどったふたつの共生システムでありながら、互いによく似た「共生器官特異的なシステインリッチペプチドが共生微生物を制御している」という驚くべき収斂進化の具体例として、大きなインパクトとなるであろう。
アブラムシは、農作物・園芸作物に甚大な被害を及ぼす害虫である。BCRがブフネラとの共生に必須であることが判明すれば、アブラムシに選択的に効果を持つ新規な殺虫剤の開発のターゲットとして期待できる。

Research Products

• [Journal Article] Antimicrobial Activities of Cysteine-rich Peptides Specific to Bacteriocytes of the Pea Aphid <i>Acyrthosiphon pisum</i> (2019)
  • Author(s): Uchi N, Fukudome M, Nozaki N, Suzuki M, Osuki K-I, Shigenobu S, Uchiumi T.
  • Journal Title: Microbes and Environments Volume: 34 Issue: 2 Pages: 155-160
  • DOI: 10.1264/jsme2.ME18148
  • NAID: 130007668480
  • ISSN: 1342-6311, 1347-4405
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] アブラムシの共生器官特異的なシステインリッチペプチドの生理活性 (2019)
  • Author(s): 瀬戸川優也，内奈保子，福留光挙，小簿健一，蘭 正人，鈴木みゆず，重信秀治，内海俊樹
  • Organizer: 日本動物学会九州支部・九州沖縄植物学会・日本生態学会九州地区 合同長崎大会
• [Presentation] Physiological activities of cysteine rich peptides specific to symbiotic organs on membrane protein mutants (2017)
  • Author(s): 内奈保子，野崎成美，福留光挙，小薄健一，鈴木みゆず，重信秀治，内海俊樹.
  • Organizer: 植物微生物研究会 第27回研究交流会
• [Presentation] 膜タンパク質変異菌株に対する共生器官特異的システインリッチペプチドの生理活性 (2017)
  • Author(s): 内奈保子，野崎成美，福留光挙，小薄健一，鈴木みゆず，重信秀治，内海俊樹.
  • Organizer: 植物化学調節学会第52回大会
  • Invited
• [Presentation] 植物とアブラムシの共生器官特異的なシステインリッチペプチドの生理活性 (2015)
  • Author(s): 内奈保子、重信秀治、九町健一、阿部美紀子、東 四郎、内海俊樹
  • Organizer: 植物微生物研究会第25回研究交流会
  • Place of Presentation: つくば国際会議場 (茨城県・つくば市)
  • Year and Date: 2015-09-14
• [Presentation] 共生器官特異的な宿主由来システインリッチペプチドの生理活性 (2015)
  • Author(s): 内奈保子、重信秀治、九町健一、阿部美紀子、東 四郎、内海俊樹
  • Organizer: 日本動物学会九州支部・九州沖縄植物学会・日本生態学会九州地区 三学会合同福岡大会
  • Place of Presentation: 福岡大学 (福岡県・福岡市)
  • Year and Date: 2015-05-23
• [Remarks] 研究一直線 植物と微生物の共生システムの謎に迫る
  • URL: https://www.kagoshima-u.ac.jp/researcher/2018/05/post-11.html