Evolutionary dynamics of cis-trans factors on the regulation of plant gene cluster for diterpenoid momilactone.

• Project/Area Number: 20H02922
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 38040:Bioorganic chemistry-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 岡田 憲典 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 准教授 (20312241)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 澤崎 達也 愛媛大学, プロテオサイエンスセンター, 教授 (50314969) ; 宮本 皓司 帝京大学, 理工学部, 講師 (90721514)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2023: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2022: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2021: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2020: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
• Keywords: 転写因子 / イネファイトアレキシン / 遺伝子クラスター / モミラクトン / 生合成遺伝子遺伝子クラスター / アレロパシー / エピジェネティック制御 / ケミカルディフェンス / イネ / 生合成遺伝子クラスター / 転写制御 / 二次代謝産物 / シス因子 / トランス因子

Outline of Research at the Start

イネが生産する抗菌性物質モミラクトンの生合成遺伝子群は、ゲノム上で遺伝子クラスターを形成し、様々なストレスに応答して協調的に発現誘導を示す。最近、下等植物の蘚類ハイゴケでもモミラクトン生合成遺伝子がクラスターを構成することがわかった。本研究では、モミラクトン生産植物がどのように生合成遺伝子クラスターを構成し、その制御機構を発達させ利用してきたのかについて、進化過程に着目しつつその答えを探る。

Outline of Annual Research Achievements

最終年度のR5年度は、3つの項目のうち、特に１）、２）の成果を得た。
1）Oryza属クラスター領域内のピマラジエン合成酵素遺伝子OsKSL4の上流保存領域に存在する制御配 列(シス因子)のゲノム編集株を用いた解析、においては、OsKSL4プロモーター領域のゲノム編集株の花芽、葉身、根におけるジテルペンファイトアレキシン（DP）の蓄積と生合成遺伝子の発現プロファイリングの解析を行った。その結果、OsKSL4上流のN-boxを含む約１kbの領域を欠損したイネ変異体では、モミラクトンおよびファイトカサンの蓄積量が、葉身、根で顕著に低下し、OsKSL4遺伝子の発現量についても塩化銅ストレスを与えた葉身において、誘導性が低くなっていた。一方、花芽においては、モミラクトンについては、その他の組織と同様な影響が見られたが、ファイトカサンについては、変化が認められなかった。従って、DP生産誘導の制御において、OsKSL4上流に位置するN-boxを含む領域は、その配列に結合するDPFと共にcis-trans制御システムとして重要な役割を持つことが明らかになった。本成果は、現在論文投稿中であり、既にBioRxivで公開している。
2）Oryza属に保存される関連転写因子の機能解析では、Oryza属野生イネにも広く保存されているMYC2の下流で働くMYL1転写因子の過剰発現体の解析から、DP制御において、抑制因子として機能することを示した。プロトプラストを用いたレポーターアッセイにおいて、活性化因子DPFとMYL1を共存させると、DP生合成遺伝子の発現誘導を転写レベルで抑制していることを明らかにした。MYL1のゲノム編集株も作出し、現在系統の整備を進めており、それらの解析を今後も継続する。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ミュンヘン大学/カールスルーヘ工科大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] ミュンヘン大学(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] 浙江大学(中国)
• [Int'l Joint Research] 浙江大学(中国)
• [Journal Article] Characterization of diterpene synthase genes in Brachypodium distachyon, a monocotyledonous model plant, provides evolutionary insight into their multiple homologs in cereals. (2023)
  • Author(s): Shimada T, Minato S, Hasegawa Y, Miyamoto K, Minato Y, Shenton MR, Okada K, Kawaide H, Toyomasu T.
  • Journal Title: Biosci Biotechnol Biochem. Volume: 88 Issue: 1 Pages: 8-15
  • DOI: 10.1093/bbb/zbad146
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Difference in the ligand affinity among redundant plant hormone receptors of rice OsCOI1a/1b/2-OsJAZs (2023)
  • Author(s): Okumura Taichi、Kitajima Tsumugi、Kaji Takuya、Urano Haruyuki、Matsumoto Kotaro、Inagaki Hideo、Miyamoto Koji、Okada Kazunori、Ueda Minoru
  • Journal Title: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Volume: 87 Issue: 10 Pages: 1122-1128
  • DOI: 10.1093/bbb/zbad092
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Secreted Glycosyltransferase RsIA_GT of Rhizoctonia solani AG-1 IA Inhibits Defense Responses in Nicotiana benthamiana. (2022)
  • Author(s): Zhang D, Wang Z, Yamamoto N, Wang M, Yi X, Li P, Lin R, Nasimi Z, Okada K, Mochida K, Noutoshi Y, Zheng A.
  • Journal Title: Pathogens Volume: 11(9) Issue: 9 Pages: 1026-1026
  • DOI: 10.3390/pathogens11091026
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Transcriptional response of a target plant to benzoxazinoid and diterpene allelochemicals highlights commonalities in detoxification. (2022)
  • Author(s): Knoch E, Kovacs J, Deiber S, Tomita K, Shanmuganathan R, Serra Serra N, Okada K, Becker C, Schandry N.
  • Journal Title: BMC Plant Biol Volume: A22(1) Issue: 1 Pages: 402-402
  • DOI: 10.1186/s12870-022-03780-w
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Lateral transfers lead to the birth of momilactone biosynthetic gene clusters in grass. (2022)
  • Author(s): Wu D, Hu Y, Akashi S, Nojiri H, Guo L, Ye C, Zhu Q. H, Okada K, Fan L.
  • Journal Title: Plant Journal Volume: 111 Issue: 5 Pages: 1354-1367
  • DOI: 10.1111/tpj.15893
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Aerial (+)-borneol modulates root morphology, auxin signalling and meristematic activity in Arabidopsis roots (2022)
  • Author(s): Fukuda Kyohei、Uefune Masayoshi、Fukaki Hidehiro、Yamauchi Yasuo、Hara-Nishimura Ikuko、Ozawa Rika、Matsui Kenji、Sugimoto Koichi、Okada Kazunori、Imai Ryozo、Takahashi Kenshi、Enami Shinichi、Wurst Rene、Takabayashi Junji
  • Journal Title: Biology Letters Volume: 18 Issue: 5 Pages: 20210629-20210629
  • DOI: 10.1098/rsbl.2021.0629
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The rice wound-inducible transcription factor RERJ1 sharing same signal transduction pathway with OsMYC2 is necessary for defense response to herbivory and bacterial blight (2022)
  • Author(s): Valea Ioana、Motegi Atsushi、Kawamura Naoko、Kawamoto Koichi、Miyao Akio、Ozawa Rika、Takabayashi Junji、Gomi Kenji、Nemoto Keiichirou、Nozawa Akira、Sawasaki Tatsuya、Shinya Tomonori、Galis Ivan、Miyamoto Koji、Nojiri Hideaki、Okada Kazunori
  • Journal Title: Plant Molecular Biology Volume: - Issue: 4-5 Pages: 651-666
  • DOI: 10.1007/s11103-021-01186-0
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chitooligosaccharide elicitor and oxylipins synergistically elevate phytoalexin production in rice (2022)
  • Author(s): Shinya Tomonori、Miyamoto Koji、Uchida Kenichi、Hojo Yuko、Yumoto Emi、Okada Kazunori、Yamane Hisakazu、Galis Ivan
  • Journal Title: Plant Molecular Biology Volume: - Issue: 4-5 Pages: 595-609
  • DOI: 10.1007/s11103-021-01217-w
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Genome-wide Screening of Genes Associated with Momilactone B Sensitivity in the Fission Yeast (2021)
  • Author(s): Keisuke Tomita, Yoko Yashiroda, Yasuhiro Matsuo, Jeff S Piotrowski, Sheena C Li, Reika Okamoto, Mami Yoshimura, Hiromi Kimura, Yumi Kawamura, Makoto Kawamukai, Charles Boone, Minoru Yoshida, Hideaki Nojiri, Kazunori Okada
  • Journal Title: G3 (Bethesda) Volume: 11 Issue: 8
  • DOI: 10.1093/g3journal/jkab156
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Deciphering OPDA signaling components in the momilactone-producing moss Calohypnum plumiforme (2021)
  • Author(s): Hideo Inagaki, Koji Miyamoto, Noriko Ando, Kohei Murakami, Koki Sugisawa, Shion Morita, Emi Yumoto, Miyu Teruya, Kenichi Uchida, Nobuki Kato, Takuya Kaji, Yousuke Takaoka, Yuko Hojo, Tomonori Shinya, Ivan Galis, Akira Nozawa, Tatsuya Sawasaki, Hideaki Nojiri, Minoru Ueda, Kazunori Okada
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: - Pages: 688565-688565
  • DOI: 10.3389/fpls.2021.688565
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Evolution of Labdane-Related Diterpene Synthases in Cereals. (2020)
  • Author(s): Toyomasu T, Shenton MR, Okada K.
  • Journal Title: Plant & Cell Physiology Volume: 61(11) Issue: 11 Pages: 1850-1859
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa106
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Genomic evidence for convergent evolution of gene clusters for momilactone biosynthesis in land plants (2020)
  • Author(s): Mao L, Kawaide H, Higuchi T, Chen M, Miyamoto K, Hirata Y, Kimura H, Miyazaki S, Teruya M, Fujiwara K, Tomita K, Yamane H, Hayashi K, Nojiri H, Jia L, Qiu J, Ye C, Timko MP, Fan L, and Okada K
  • Journal Title: Proc Natl Acad Sci USA Volume: Online ahead of print Issue: 22 Pages: 12472-12480
  • DOI: 10.1073/pnas.1914373117
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 新規殺菌剤トルプロカルブに関する研究(第 21 報) -モミラクトン類の根圏土への蓄積とアレロパシー活性- (2024)
  • Author(s): ○萩原寛之，安藤卓也，畠山聡，吉野康佑，小原敏明，岡田憲典
  • Organizer: 農薬学会
• [Presentation] 栽培イネのジャスモン酸シグナル抑制因子によるファイトアレキシン生産の拮抗的制御機構 (2023)
  • Author(s): ○劉 又銘、山本 直樹、宮本 皓司、林 孟淳、野尻 秀昭、岡田 憲典
  • Organizer: 植物化学調節学会
• [Presentation] 野生イネに保存されたジテルペノイドフィトアレキシン生産における転写制御機構 (2023)
  • Author(s): 劉 又銘、山本 直樹、宮本 皓司、辻井良政、野尻 秀昭、○岡田 憲典
  • Organizer: 植物化学調節学会
• [Presentation] 新規植物病害抵抗性誘導剤UT34のイネ及びアブラナ科作物における抵抗性誘導機構 (2023)
  • Author(s): 森 昌樹、岡田 憲典、鎌倉 寿恵、神田恭和、西ヶ谷 有輝、仲下 英雄、浅見 忠男、○井上 晴彦
  • Organizer: 植物化学調節学会
• [Presentation] Antagonis tic Regulato r y Netwo r k of Phytoalexin Biosynthesis in Rice JA Signal Pathway (2023)
  • Author(s): ○Youming Liu, Naoki Yamamoto, Koji Miyamoto, Mengchun Lin, Hideaki Nojiri, Kazunori Okada
  • Organizer: IPGSA2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Deciphering regulatory mechanisms associated with conserved gene clusters for diterpenoid phytoalexin biosynthesis in gramineous plants (2023)
  • Author(s): ○Youming Liu, Shiho Tomiyama, Naoki Yamamoto, Masaki Mori, Koji Miyamoto, Hideaki Nojiri, Kazunori Okada
  • Organizer: TERPENT
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fate of diterpenoid phytoalexins: from induced biosynthesis to degradation (2023)
  • Author(s): Youming Liu, Naoki Yamamoto, Masaki Mori, Koji Miyamoto, David Wari, Tomonori Shinya, Ivan Galis, Gen-ichiro Arimura, Takuya Sakamoto, Hideaki Nojiri, ○Kazunori Okada
  • Organizer: TERPENT
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] モミラクトンB による動物細胞の増殖抑制に関わる遺伝子の同定 (2023)
  • Author(s): ○松本 健、黒川留美、高瀬 恵、岡田憲典、吉田 稔
  • Organizer: 分子生物学会
• [Presentation] イネのジャスモン酸受容体OsCOI2の下流シグナル伝達の解明 (2023)
  • Author(s): 稲垣 秀生、湯本 絵美、高岡 洋輔、岡田 憲典、上田 実、○宮本 皓司
  • Organizer: 日本植物学会
• [Presentation] ハイゴケのモ ミラク トン生合成 経路 とその制 御に つい (2023)
  • Author(s): 岡田憲典
  • Organizer: 第33回 イソプレノイド研究会
• [Presentation] 新規殺菌剤トルプロカルブに関する研究（第19 報） －イネ地下部おけるモミラクトン類の蓄積動態－ (2023)
  • Author(s): 萩原寛之、小原敏明、岡田憲典
  • Organizer: 農薬学会
• [Presentation] 吸汁性昆虫によるイネへの吸汁加害とモミラクトンの関係 (2022)
  • Author(s): 宮崎翔、森 昌樹、岡田憲典
  • Organizer: 植物化学調節学会
• [Presentation] なぜ植物は多くのspecialized metabolites をつくるのか？モミラクトンが持つ幅広い生物活性の謎にせまる (2022)
  • Author(s): 岡田憲典
  • Organizer: 日本農芸化学会シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 植物由来のジテルペン化合物Momilactone Bは細胞内のROSレベルを減少させることで細胞の増殖を阻害する (2022)
  • Author(s): 富田啓介, 松尾安浩, 八代田陽子, 吉田稔, 川向誠, 野尻秀昭, 岡田憲典
  • Organizer: 日本農芸化学会
• [Presentation] 新規殺菌剤トルプロカルブに関する研究（第17報）－圃場イネにおけるモミラクトン類の蓄積消長－ (2022)
  • Author(s): 富田啓介，萩原寛之，小原敏明，岡田憲典
  • Organizer: 日本農薬学会
• [Presentation] Impacts of bioactive terpenoids of rice on living companions in phytobiomes (2021)
  • Author(s): Kazunori Okada
  • Organizer: 18th International Symposium on Rice Functional Genomics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] イネのジテルペン型ファイトアレキシン生産誘導における転写制御ネット ワーク (2021)
  • Author(s): 劉 又銘, 田渕雄夢, 辻井良政, 山本直樹, 野尻秀昭, 岡田憲典
  • Organizer: イソプレノイド研究会
• [Presentation] Phytobiome におけるモミラクトンのインパクト (2021)
  • Author(s): 岡田憲典
  • Organizer: イソプレノイド研究会
• [Presentation] ハイゴケのモミラクトンB生合成経路における最終段階を担う酵素遺伝子の同定 (2021)
  • Author(s): 鵜木 真央, 宮崎 翔, 川出 洋, 野尻 秀昭, 岡田 憲典
  • Organizer: 植物化学調節学会
• [Presentation] 新規殺菌剤トルプロカルブに関する研究（第13報）－イネにおけるジテルペン型ファイトアレキシン類の蓄積－ (2021)
  • Author(s): 髙橋明里2，○鳥邉翔3，冨山詩歩，富田啓介，有村源一郎，萩原寛之， 小原敏明，岡田憲典
  • Organizer: 日本農薬学会
• [Presentation] 新規殺菌剤トルプロカルブに関する研究（第12報）－イネにおけるジテルペン型ファイトアレキシン生合成経路の活性化－ (2021)
  • Author(s): ○萩原寛之，髙橋明里，鳥邉翔，冨山詩歩，富田啓介，有村源一郎2，岡田憲典，小原敏明
  • Organizer: 日本農薬学会
• [Presentation] イネのファイトアレキシン生合成遺伝子発現における上流保存領域の機能 (2020)
  • Author(s): 茂木 郁也、冨山 詩歩、吉田 悠里、宮本 皓司、野尻 秀昭、岡田 憲典
  • Organizer: 日本農芸化学会
• [Presentation] モミラクトンBの環境細菌に対する影響の解明 (2020)
  • Author(s): 鳥邉 翔, 富田 啓介, 野尻 秀昭, 岡田 憲典
  • Organizer: 植物化学調節学会
• [Presentation] モミラクトンBはROSを減少させることで分裂酵母の生育を阻害する (2020)
  • Author(s): 富田啓介, 松尾安浩, 川向誠, 八代田陽子, 吉田稔, 野尻秀昭, 岡田憲典
  • Organizer: イソプレノイド研究会