ナス科植物ステロイドグリコアルカロイドの化学進化

• Project/Area Number: 19J10750
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 38040:Bioorganic chemistry-related
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 秋山 遼太 神戸大学, 農学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000); Fiscal Year 2020: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: 二次代謝産物 / アルカロイド / ステロイドグリコアルカロイド / SGA / ナス属 / トマト / ジャガイモ / DOX

Outline of Research at the Start

ステロイドグリコアルカロイド(SGA)は分子内に窒素原子を含むステロイド配糖体の総称であり、ナス科植物に広く含まれる化合物である。SGAはいずれも生物に広く毒性を示すため、防御物質の一つであると考えられている。SGAの代表的なものとして、ジャガイモの芽に高蓄積するα-ソラニンや、トマトに含まれるα-トマチンが挙げられる。生産するSGAは植物種ごとに異なっており、その構造は非常に多様である。本研究はナス科植物がどのようにして多様なSGA生合成系を進化発展させたのか、また多様なSGA生産のナス科植物における生物的意義についての研究である。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ナス科植物で生産される含窒素ステロイド配糖体であるステロイドグリコアルカロイド (SGA)の構造多様性に着目し、植物がなぜ・どのようにして多様な代謝産物を生産するのかを明らかにすることを目的としている。
これまでに、DPSがジャガイモにおけるソラニダンSGAであるα-ソラニン生合成の鍵酵素遺伝子であることを明らかにしている。さらに、ソラニン型SGAを生産しないトマトにもDPSに高い相同性を示す遺伝子が1つだけ存在し、本遺伝子の組換え酵素はDPSと同様の活性を示した。また、この遺伝子はトマトにおいてほとんど発現しておらず、遺伝子発現制御がSGAプロファイルの差を生む重要な要因であると考えられる。ジャガイモではDPS遺伝子に高い相同性を示す遺伝子が多数ゲノム上にタンデムに並んで存在している。このことからジャガイモの進化の過程でDPS祖先遺伝子の重複が起こり、高発現するDPSを獲得しソラニダンSGAを生産するに至ったと考えられる。本年度は、DPSの遺伝子の進化的起源をさらに考察するためにナス属の作物であるナスのゲノムを調査した。その結果ナスにもDPSに高い相同性を示す遺伝子が1つ存在し、その遺伝子はほぼ発現していないことが明らかとなった。組み替えの機能解析の結果、DPSと同様の活性を示した。ナスとトマト/ジャガイモの種分化はナス属の種分化の中で最も古くに起こったイベントであると考えられているため、DPSの祖先遺伝子はナス属の進化の基部において既に存在していたことが示唆された。DPSの同定および以上の結果等をまとめて論文を投稿し受理された。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] The biosynthetic pathway of potato solanidanes diverged from that of spirosolanes due to evolution of a dioxygenase (2021)
  • Author(s): Akiyama Ryota、Watanabe Bunta、Nakayasu Masaru、Lee Hyoung Jae、Kato Junpei、Umemoto Naoyuki、Muranaka Toshiya、Saito Kazuki、Sugimoto Yukihiro、Mizutani Masaharu
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41467-021-21546-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Hatching stimulation activity of steroidal glycoalkaloids toward the potato cyst nematode, <i>Globodera rostochiensis</i> (2020)
  • Author(s): Shimizu Kosuke、Kushida Atsuhiko、Akiyama Ryota、Lee Hyoung Jae、Okamura Yuya、Masuda Yuki、Sakata Itaru、Tanino Keiji、Matsukida Seiji、Inoue Tsutomu、Sugimoto Yukihiro、Mizutani Masaharu
  • Journal Title: Plant Biotechnology Volume: 37 Issue: 3 Pages: 319-325
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.20.0516a
  • NAID: 130007907455
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • Year and Date: 2020-09-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Characterization of steroid 5α-reductase involved in α-tomatine biosynthesis in tomatoes (2019)
  • Author(s): Akiyama Ryota、Lee Hyoung Jae、Nakayasu Masaru、Osakabe Keishi、Osakabe Yuriko、Umemoto Naoyuki、Saito Kazuki、Muranaka Toshiya、Sugimoto Yukihiro、Mizutani Masaharu
  • Journal Title: Plant Biotechnology Volume: 36 Issue: 4 Pages: 253-263
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.19.1030a
  • NAID: 130007776109
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • Year and Date: 2019-12-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Identification of α-Tomatine 23-Hydroxylase Involved in the Detoxification of a Bitter Glycoalkaloid (2019)
  • Author(s): Nakayasu Masaru、Akiyama Ryota、Kobayashi Midori、Lee Hyoung Jae、Kawasaki Takashi、Watanabe Bunta、Urakawa Shingo、Kato Junpei、Sugimoto Yukihiro、Iijima Yoko、Saito Kazuki、Muranaka Toshiya、Umemoto Naoyuki、Mizutani Masaharu
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 61 Issue: 1 Pages: 21-28
  • DOI: 10.1093/pcp/pcz224
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Direct conversion of carlactonoic acid to orobanchol by cytochrome P450 CYP722C in strigolactone biosynthesis. (2019)
  • Author(s): Wakabayashi, T., Hamana, M., Mori, A., Akiyama, R., Ueno, K., Osakabe, K., Osakabe, Y., Suzuki, H., Takikawa, H., Mizutani, M., Sugimoto, Y.
  • Journal Title: Science Advances Volume: 5 Issue: 12 Pages: 9067-9067
  • DOI: 10.1126/sciadv.aax9067
  • NAID: 120006778287
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Characterization of steroid 5α-reductase involved in α-tomatine biosynthesis in tomatoes (2019)
  • Author(s): Ryota Akiyama, Hyong Jae Lee, Masaru Nakayasu, Keishi Osakabe, Yuriko Osakabe, Naoyuki Umemoto, Toshiya Muranaka, Yukihiro Sugimoto, Masaharu Mizutani
  • Organizer: TERPNET 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ジャガイモのソラニン生合成におけるソラニダン骨格形成機構の解明 (2019)
  • Author(s): 秋山遼太、中安大、李栄宰、加藤純平、梅基直行、渡辺文太、村中俊哉、斉藤和希、杉本幸裕、水谷正治
  • Organizer: 第37回日本植物細胞分子生物学会大会