植物と病原菌間における細胞間コミュニケーションの分子機構の解明

• Project/Area Number: 19K24688
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Home-Returning Researcher Development Research)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Setsunan University
• Principal Investigator: 田中 茂幸 摂南大学, 農学部, 講師 (30785481)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 芳本 玲 摂南大学, 農学部, 講師 (70595652)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥55,900,000 (Direct Cost: ¥43,000,000、Indirect Cost: ¥12,900,000)
• Keywords: 細胞外小胞 / エクソソーム / 活物寄生菌 / 植物病原菌 / 膜タンパク質 / トウモロコシ黒穂病菌 / 糸状菌 / 病原性 / ノンコーディングRNA

Outline of Annual Research Achievements

植物病害をもたらす主たる原因である糸状菌は、感染時にエフェクタータンパク質とよばれる分子を分泌する。これが植物細胞内で機能することで、植物細胞の機能変化を引き起こし、糸状菌の感染を促進する。特に、生きた植物細胞に感染する活物寄生を行う糸状菌は、植物細胞膜を破壊しないため、侵入した菌糸は植物細胞膜に包まれている。これまで、このような関係において、なぜエフェクタータンパク質が植物細胞膜を通過し細胞内へ移行できるかは不明であった。本研究においてこれまで、トウモロコシに感染する活物寄生性の糸状菌であるトウモロコシ黒穂病菌を実験材料にして、細胞外小胞のオミクス解析を行ってきた。その結果、細胞外小胞にはエフェクタータンパク質が含まれ、また植物細胞膜との膜融合を介して内容物を細胞内へ送り込んでいる可能性が示唆された。さらに、細胞外小胞上のインテグリン様膜タンパク質ILP1が、この膜融合を媒介することが示唆された。そこで、本年度では、このILP1と相互作用する植物タンパク質の同定を試みた。感染葉からILP1の免疫沈降を行い、共免疫沈降物についてプロテオーム解析を行った。しかし、植物細胞膜上に局在するようなタンパク質を想定していたが、これに合致する候補タンパク質は得られなかった。このことからILP1と相互作用する分子に関する予想される仮説として、想定タンパク質が量的に少ない、結合が一過的である可能性、タンパク質以外の分子である可能性などが考えられた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究課題における当初の目的は、細胞外小胞がエフェクタータンパク質の輸送体である可能性を検証することであった。これまで得られている結果から、この仮説を支持する結果が得られており、ILP1の同定まで至ったという結果は、順調であると考えている。一方、ILP1と相互作用する分子の決定は、少々難航している。2023年度の結果では、トウモロコシ黒穂病菌由来の細胞外小胞は、宿主であるトウモロコシ細胞との膜融合効率は高いが、シロイヌナズナ細胞とはやや低い効率、ヒト細胞ではさらに効率が低下することが明らかになった。このことは、細胞外小胞上の分子と、対象細胞上の分子間相互作用に特異性が存在することを示唆している。これまで感染葉から、ILP1の共免疫沈降法で相互作用分子を同定する試みを行ってきたが、次年度からは実験アプローチを変更して再検証したい。

Strategy for Future Research Activity

ILP1と相互作用する分子を同定する上での課題として、①タンパク質が量的に少ない、②結合が一過的である可能性などがあげられる。まず①を克服するため、ILP1を一過的にベンサミアーナタバコで大量発現させ、これと相互作用する分子を同定する方法を試みたい。また、②の相互作用する分子との結合強度が低い可能性も考慮し、TuboIDを用いた近接標識法を利用した相互作用タンパク質の同定を試みる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] マックスプランク研究所(ドイツ)
• [Journal Article] Novel Secreted Effectors Conserved Among Smut Fungi Contribute to the Virulence of <i>Ustilago maydis</i> (2024)
  • Author(s): Schuster M, Schweizer G, Reissmann S, Happel P, Assmann D, Roessel N, Gueldener U, Mannhaupt G, Ludwig N, Winterberg S, Pellegrin C, Tanaka S, Vincon V, Presti LL, Wang L, Bender L, Gonzalez C, Vranes M, Kaemper J, Seong K, Krasileva K, Kahmann R.
  • Journal Title: Molecular Plant-Microbe Interactions Volume: 37 Issue: 3 Pages: 250-263
  • DOI: 10.1094/mpmi-09-23-0139-fi
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mating Types of <i>Ustilago esculenta</i> Infecting <i>Zizania latifolia</i> Cultivars in Japan Are Biased towards MAT-2 and MAT-3 (2023)
  • Author(s): Chigira Yuka、Sasaki Nobumitsu、Komatsu Ken、Mashimo Kouji、Tanaka Shigeyuki、Numamoto Minori、Moriyama Hiromitsu、Motobayashi Takashi
  • Journal Title: Microbes and Environments Volume: 38 Issue: 3 Pages: n/a
  • DOI: 10.1264/jsme2.ME23034
  • ISSN: 1342-6311, 1347-4405
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 4.5SH RNA counteracts deleterious exonization of SINE B1 in mice (2023)
  • Author(s): Yoshimoto Rei、Nakayama Yuta、Nomura Ikuko、Yamamoto Ikuko、Nakagawa Yumeka、Tanaka Shigeyuki、Kurihara Misuzu、Suzuki Yu、Kobayashi Takehiko、Kozuka-Hata Hiroko、Oyama Masaaki、Mito Mari、Iwasaki Shintaro、Yamazaki Tomohiro、Hirose Tetsuro、Araki Kimi、Nakagawa Shinichi
  • Journal Title: Molecular Cell Volume: 83 Issue: 24 Pages: 4479-4493
  • DOI: 10.1016/j.molcel.2023.11.019
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The production and secretion of tRNA-derived RNA fragments in the corn smut fungus Ustilago maydis (2022)
  • Author(s): Yoshimoto Rei、Ishida Fumiko、Yamaguchi Miyuki、Tanaka Shigeyuki
  • Journal Title: Frontiers in Fungal Biology Volume: 3 Pages: 49-49
  • DOI: 10.3389/ffunb.2022.958798
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cell wall-associated effectors of plant-colonizing fungi (2021)
  • Author(s): Shigeyuki Tanaka, Regine Kahmann
  • Journal Title: Mycologia Volume: 113 Issue: 2 Pages: 247-260
  • DOI: 10.1080/00275514.2020.1831293
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The functionally conserved effector Stal is a fungal cell wall protein required for virulence in Ustilago maydis (2020)
  • Author(s): Shigeyuki Tanaka, Isabelle Gollin, Nicole Rössel, Regine Kahmann
  • Journal Title: New Phytologist Volume: 227 Issue: 1 Pages: 185-199
  • DOI: 10.1111/nph.16508
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 植物病原糸状菌が分泌する細胞外小胞が寄生に果たす役割 (2023)
  • Author(s): 田中茂幸
  • Organizer: 日本生化学会
  • Invited
• [Presentation] トウモロコシ黒穂病菌Ustilago maydisの病原性に関わるlncRNAの同定 (2023)
  • Author(s): 大谷ひなた、石田史子、山口美幸、芳本玲、田中茂幸
  • Organizer: 日本植物病理学会
• [Presentation] Molecular basis of plant cellular uptake of extracellular vesicles secreted by biotrophic pathogen Ustilago maydis (2023)
  • Author(s): Fumiko Ishida, Miyuki Yamaguchi, Chikako Tanaka, Rei Yoshimoto, Shigeyuki Tanaka
  • Organizer: 16th European Conference on Fungal Genetics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] トウモロコシ黒穂病菌が分泌する細胞外小胞に含まれる膜タンパク質ILP1の機能解析 (2023)
  • Author(s): 石田史子・山口美幸・田中智佳子・田中茂幸
  • Organizer: 日本植物病理学会
• [Presentation] トウモロコシ黒穂病菌におけるtRNA由来RNA断片の生成と分泌 (2022)
  • Author(s): 芳本玲，石田史子，山口美幸，田中茂幸
  • Organizer: 糸状菌分子生物学研究会
• [Presentation] トウモロコシ黒穂病菌が分泌する細胞外小胞の動態と内容物の解析 (2022)
  • Author(s): 芳本玲・石田史子・山口美幸・田中智佳子・田中茂幸
  • Organizer: 日本植物病理学会全国大会
• [Presentation] トウモロコシ黒穂病菌が分泌する細胞外小胞に含まれるノンコーディングRNA (2021)
  • Author(s): 芳本玲、田中茂幸
  • Organizer: 日本植物病理学会全国大会
• [Book] アグリバイオ 2022年7月号 (2022)
  • Author(s): 田中茂幸
  • Total Pages: 5
  • Publisher: 北隆館
• [Remarks] ＜黒穂病菌が細胞外にRNA分泌＞解明 トウモロコシ 防除薬剤の新たな標的として注目
  • URL: https://www.setsunan.ac.jp/news/detail.html?id=5708
• [Remarks] 研究室HP
  • URL: https://www.setsunan.ac.jp/~pemlab303/
• [Remarks] 研究室HP
  • URL: http://www.setsunan.ac.jp/~pemlab303/
• [Funded Workshop] International symposium on sustainable crop production and biosciences (2023)