Molecular characterization of the plant virus host specificity using innovative genetic engineering techniques

• Project/Area Number: 21H04722
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 39:Agricultural and environmental biology and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 山次 康幸 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 教授 (40345187)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 前島 健作 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 准教授 (20726062)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥41,730,000 (Direct Cost: ¥32,100,000、Indirect Cost: ¥9,630,000); Fiscal Year 2024: ¥9,750,000 (Direct Cost: ¥7,500,000、Indirect Cost: ¥2,250,000); Fiscal Year 2023: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000); Fiscal Year 2022: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2021: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000)
• Keywords: 植物ウイルス / ファイトプラズマ / 宿主特異性 / ファイロジェン

Outline of Research at the Start

ウイルス学最重要テーマの一つである宿主特異性に対して研究者だけでなく、一般からも広く興味が持たれているが、ウイルス宿主特異性の詳細なメカニズムは動植物を問わず未解明である。一方、植物病原細菌は様々な生理活性をもつエフェクターを持つが、それらの機能は完全に解明されておらず、その機能を利用する試みも乏しい。そこで、本研究では植物病原細菌ファイトプラズマのエフェクター機能や近年蓄積される植物ゲノム情報などを駆使して、植物ウイルスの宿主特異性メカニズムの全容解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

令和５年度は以下の研究を実施した。
１．ファイロジェンを介したin vitroタンパク質分解システムの解析：令和４年度に構築したファイロジェンを介したin vitroタンパク質分解システムをさらに最適化するため、ファイロジェンの機能領域の解析を行った。まず葉化誘導能の弱いRYDファイロジェンの解析により、RYDファイロジェンが結合するMADS転写因子の種類に応じてシャトル因子との結合性が変化し、一部のMADS転写因子は分解装置へと輸送されず、分解を受けないことを明らかにした。さらにファイロジェンの機能領域をランダムミューテーションにより解析し、ファイロジェンにおけるMADS転写因子との結合に働く相互作用面を特定し、ファイロジェンとMADS転写因子の結合モデルを構築した。
２．植物ウイルス感受性機構に関する研究：令和4年度にEXA1がeIF4Eファミリー遺伝子（eIF4e、eIFiso4E、nCBP）の全てと結合することを明らかにしたが、それらの結合がポテックスウイルスの感染に必要かどうかを検証した結果、EXA1はeIF4Eファミリーと協調して働いていることが示唆された。
３．アブラナ科植物におけるウイルス抵抗性の検証：令和4年度にポテックスウイルス抵抗性を示すアブラナ科植物を複数同定したが、それらの中でポテックスウイルス抵抗性遺伝子JAX1をもつものを対象にゲノム編集によりJAX1遺伝子の破壊を試みた結果、少なくとも１種のアブラナ科植物についてJAX1 遺伝子の破壊株を獲得した。
４．宿主特異性機構の分子解体：本研究で解明・解析したウイルス感受性遺伝子、抵抗性遺伝子、RNAi関連遺伝子について、アブラナ科植物ゲノムデータベース検索を行い、植物種ごとのウイルス宿主特異性プロファイル作成を行った。一部についてプロファイリングを完了し、植物により遺伝子保存状況が異なることを明らかにした。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究ではファイロジェンを介したin vitroタンパク質分解システムを構築したが、本系は植物細胞由来の安定したin vitroタンパク質分解系としては初めてのシステムであるため関連分野への波及効果が期待される。また、令和５年度は成果公表についても着実に成果を挙げ、6報の学術論文として公表した。植物ウイルス感受性機構の研究において感受性遺伝子同士が強調して機能していることを突き止めたが、この成果は新聞報道等にも採りあげられた。またファイロジェンによるタンパク質分解システムについても複数の学術論文を発表し、報道等で採りあげられた。以上より今年度は当初の想定以上に進捗したと考えられる。

Strategy for Future Research Activity

最終年度となる令和６年度はファイロジェンを介したin vitroタンパク質分解システムの異分野での応用を想定して拡張性を持たせるための種々の解析を行う。また、ウイルスの感受性遺伝子、抵抗性遺伝子に関する研究も順調に進捗しているため、それらの成果とアブラナ科植物ゲノムデータのプロファイリングを統合してこれまで未解明であったウイルス宿主特異性に迫りたいと考えている。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Texas A&M University(米国)
• [Journal Article] Random mutagenesis-based screening of the interface of phyllogen, a bacterial phyllody-inducing effector, for interaction with plant MADS-box proteins (2023)
  • Author(s): Kitazawa Yugo、Iwabuchi Nozomu、Maejima Kensaku、Matsumoto Oki、Suzuki Masato、Matsuyama Juri、Koinuma Hiroaki、Oshima Kenro、Namba Shigetou、Yamaji Yasuyuki
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 14 Pages: 917-917
  • DOI: 10.3389/fpls.2023.1058059
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Potential mobile units drive the horizontal transfer of phytoplasma effector phyllogen genes. (2023)
  • Author(s): Ryosuke Tokuda, Nozomu Iwabuchi, Yugo Kitazawa, Takamichi Nijo, Masato Suzuki, Kensaku Maejima, Kenro Oshima, Shigetou Namba, Yasuyuki Yamaji
  • Journal Title: Frontiers in Genetics Volume: 14 Pages: 1132432-1132432
  • DOI: 10.3389/fgene.2023.1132432
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Interaction of EXA1 and eIF4E family members facilitates potexvirus infection in Arabidopsis thaliana (2023)
  • Author(s): Masanobu Nishikawa, Kosuke Katsu, Hiroaki Koinuma, Masayoshi Hashimoto, Yutaro Neriya, Juri Matsuyama, Toya Yamamoto, Masato Suzuki, Oki Matsumoto, Hidenori Matsui, Hirofumi Nakagami, Kensaku Maejima, Shigetou Namba, Yasuyuki Yamaji
  • Journal Title: Journal of Virology Volume: - Issue: 6
  • DOI: 10.1128/jvi.00221-23
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Reverse-Transcription Loop-Mediated Isothermal Amplification Technique to Detect Tomato Mottle Mosaic Virus, an Emerging Tobamovirus (2023)
  • Author(s): Kimura Kan、Miyazaki Akio、Suzuki Takumi、Yamamoto Toya、Kitazawa Yugo、Maejima Kensaku、Namba Shigetou、Yamaji Yasuyuki
  • Journal Title: Viruses Volume: 15 Issue: 8 Pages: 1688-1688
  • DOI: 10.3390/v15081688
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] First report of bacterial brown root rot in pea sprouts (Pisum sativum L.) caused by a Pseudomonas species (2023)
  • Author(s): Suzuki Takumi、Kitazawa Yugo、Motohashi Tomohiro Neil、Koinuma Hiroaki、Kimura Kan、Nishikawa Minaho、Maejima Kensaku、Ichikawa Kazunori、Namba Shigetou、Yamaji Yasuyuki
  • Journal Title: Journal of General Plant Pathology Volume: 89 Issue: 6 Pages: 347-351
  • DOI: 10.1007/s10327-023-01149-x
• [Journal Article] Target degradation specificity of phytoplasma effector phyllogen is regulated by the recruitment of host proteasome shuttle protein (2023)
  • Author(s): Suzuki Masato、Kitazawa Yugo、Iwabuchi Nozomu、Maejima Kensaku、Matsuyama Juri、Matsumoto Oki、Oshima Kenro、Namba Shigetou、Yamaji Yasuyuki
  • Journal Title: Molecular Plant Pathology Volume: 25 Issue: 1 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1111/mpp.13410
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Complete genome sequence of a novel polerovirus infecting Cynanchum rostellatum (2023)
  • Author(s): Tokuda Ryosuke、Watanabe Kiyoto、Koinuma Hiroaki、Okano Yukari、Nijo Takamichi、Yamamoto Toya、Suzuki Masato、Maejima Kensaku、Namba Shigetou、Yamaji Yasuyuki
  • Journal Title: Archives of Virology Volume: 168 Issue: 2 Pages: 57-57
  • DOI: 10.1007/s00705-022-05625-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Complete Genome Sequence of <i>Tea Plant Necrotic Ring Blotch Virus</i> Detected from a Tea Plant in Japan (2022)
  • Author(s): Maruyama Noriko、Iwabuchi Nozomu、Nishikawa Masanobu、Nijo Takamichi、Yoshida Tetsuya、Kitazawa Yugo、Maejima Kensaku、Namba Shigetou、Yamaji Yasuyuki
  • Journal Title: Microbiology Resource Announcements Volume: 11 Issue: 6 Pages: 1-3
  • DOI: 10.1128/mra.00323-22
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Complete Genome Sequence of Clover Yellow Mosaic Virus Isolated from White Clover in Japan (2022)
  • Author(s): Suzuki Masato、Iwabuchi Nozomu、Fujimoto Yuji、Suzuki Takumi、Matsumoto Oki、Motohashi Tomohiro Neil、Miyazaki Akio、Maejima Kensaku、Namba Shigetou、Yamaji Yasuyuki
  • Journal Title: Microbiology Resource Announcements Volume: 11 Issue: 6
  • DOI: 10.1128/mra.00324-22
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Complete Genome Sequences of Grapevine Red Globe Virus in Japan (2022)
  • Author(s): Yamamoto Toya、Sato Haruka、Suzuki Takumi、Miyazaki Akio、Kitazawa Yugo、Maejima Kensaku、Namba Shigetou、Yamaji Yasuyuki
  • Journal Title: Microbiology Resource Announcements Volume: 11 Issue: 12
  • DOI: 10.1128/mra.00434-22
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A phytoplasma effector acts as a ubiquitin-like mediator between floral MADS-box proteins and proteasome shuttle proteins (2022)
  • Author(s): Kitazawa Yugo、Iwabuchi Nozomu、Maejima Kensaku、Sasano Momoka、Matsumoto Oki、Koinuma Hiroaki、Tokuda Ryosuke、Suzuki Masato、Oshima Kenro、Namba Shigetou、Yamaji Yasuyuki
  • Journal Title: The Plant Cell Volume: 34 Issue: 5 Pages: 1709-1723
  • DOI: 10.1093/plcell/koac062
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Short 5′ Untranslated Region Enables Optimal Translation of Plant Virus Tricistronic RNA via Leaky Scanning (2022)
  • Author(s): Fujimoto Yuji、Keima Takuya、Hashimoto Masayoshi、Hagiwara-Komoda Yuka、Hosoe Naoi、Nishida Shuko、Nijo Takamichi、Oshima Kenro、Verchot Jeanmarie、Namba Shigetou、Yamaji Yasuyuki
  • Journal Title: Journal of Virology Volume: 96 Issue: 7
  • DOI: 10.1128/jvi.02144-21
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Complete genome sequence of a new orthotospovirus associated with ringspot in Fatsia japonica (2022)
  • Author(s): Kitazawa Yugo、Nijo Takamichi、Nishikawa Masanobu、Matsumoto Oki、Suzuki Takumi、Suzuki Masato、Maejima Kensaku、Namba Shigetou、Yamaji Yasuyuki
  • Journal Title: Archives of Virology Volume: 167 Issue: 2 Pages: 615-618
  • DOI: 10.1007/s00705-021-05300-x
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Complete genome sequence of viola mottle virus, revealing its synonymous relationship to tulip virus X (2021)
  • Author(s): Matsumoto Oki、Miyazaki Akio、Tokoshima Jun、Suzuki Takumi、Yoshida Tetsuya、Okano Yukari、Nijo Takamichi、Maejima Kensaku、Namba Shigetou、Yamaji Yasuyuki
  • Journal Title: Archives of Virology Volume: 166 Issue: 8 Pages: 2343-2346
  • DOI: 10.1007/s00705-021-05129-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Complete genome sequence of mirabilis crinkle mosaic virus isolated from pokeweed in Japan (2021)
  • Author(s): Suzuki Takumi, Iwabuchi Nozomu, Tokuda Ryosuke, Matsumoto Oki, Yoshida Tetsuya, Nishikawa Masanobu, Maejima Kensaku, Namba Shigetou, Yamaji Yasuyuki
  • Journal Title: Microbiology Resource Announcements Volume: 10 Issue: 21 Pages: 1-3
  • DOI: 10.1128/mra.00283-21
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] First report of anthracnose on tillandsia caused by Colletotrichum sp. in Japan (2021)
  • Author(s): Kumita Kohei、Kitazawa Yugo、Tokuda Ryosuke、Miyazaki Akio、Maejima Kensaku、Namba Shigetou、Yamaji Yasuyuki
  • Journal Title: Journal of General Plant Pathology Volume: - Issue: 4 Pages: 254-258
  • DOI: 10.1007/s10327-021-00995-x
  • Peer Reviewed
• [Presentation] tomato mottle mosaic virus（ToMMV） に対するRT-LAMP 法の種子検査への 応用 (2024)
  • Author(s): 西川みなほ・木村 完・宮崎彰雄・ 鈴木拓海・山本桐也・北沢優悟・前島 健作・難波成任・山次康幸
  • Organizer: 2024年度日本植物病理学会大会
• [Presentation] ポテックスウイルス劣性抵抗性におけ るEXA1 と翻訳開始因子eIF4E ファ ミリーの機能的関係性 (2024)
  • Author(s): 西川雅展・勝 浩介・鯉沼宏章・ 橋本将典・煉谷裕太朗・松山樹立 ・ 前島健作 ・難波成任 ・山次康幸
  • Organizer: 2024年度日本植物病理学会大会
• [Presentation] ファイトプラズマ病のLAMP 診断に おける検体に応じた簡易DNA 抽出法 の最適化 (2024)
  • Author(s): 赤堀真子・宮崎彰雄・鯉沼宏章・徳 田遼佑・前島健作・難波成任・山次康 幸
  • Organizer: 2024年度日本植物病理学会大会
• [Presentation] ファイトプラズマのエフェクターの水 平伝播はトランスポゾン様配列PMU により引き起こされる (2024)
  • Author(s): 岩渕 望・徳田遼佑・北沢優悟・ 鈴木拓海・宮﨑彰雄・前島健作・ 大島研郎・難波成任・山次康幸
  • Organizer: 2024年度日本植物病理学会大会
• [Presentation] PMU に座乗するファイロジェンの葉 化誘導能の比較 (2024)
  • Author(s): 徳田遼佑・前島健作・岩渕 望・ 北沢優悟・松本旺樹・鈴木誠人・ 大島研郎・難波成任 ・山次康幸
  • Organizer: 2024年度日本植物病理学会大会
• [Presentation] イネ黄萎病ファイトプラズマのファイ ロジェンに見出された特異な分解標的 スペクトラム (2024)
  • Author(s): 北沢優悟・鈴木誠人・岩渕 望・ 前島健作・松山樹立・松本旺樹・ 大島研郎・難波成任・山次康幸
  • Organizer: 2024年度日本植物病理学会大会
• [Presentation] ファイロジェンの分解標的特異性はプ ロテアソーム関連因子との相互作用に よる制御を受ける (2024)
  • Author(s): 鈴木誠人・北沢優悟・岩渕 望・ 前島健作・松山樹立・松本旺樹・ 大島研郎・難波成任・山次康幸
  • Organizer: 2024年度日本植物病理学会大会
• [Presentation] Dual resistance constructs conferring dominant / recessive and RNAi resistance targeting plant viruses in lilies (2023)
  • Author(s): Yasuyuki Yamaji, Yukari Okano, Oki Matsumoto, Nozomu Iwabuchi, Kensaku Maejima
  • Organizer: The 11th International Conference of Clinical Plant Science 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Genomic investigation on an unidentified historical potexvirus viola mottle virus: evidence for a synonymous relationship to tulip virus X (2023)
  • Author(s): Oki Matsumoto, Akio Miyazaki, Jun Tokoshima, Tetsuya Yoshida, Yukari Okano, Kensaku Maejima, Shigetou Namba, Yasuyuki Yamaji
  • Organizer: The 11th International Conference of Clinical Plant Science 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mirabilis crinkle mosaic virus is the causal agent of pokeweed leaf crinkle mosaic disease (2023)
  • Author(s): Takumi Suzuki, Nozomu Iwabuchi, Ryosuke Tokuda, Oki Matsumoto, Tetsuya Yoshida, Masanobu Nishikawa, Kensaku Maejima, Shigetou Namba, Yasuyuki Yamaji
  • Organizer: The 11th International Conference of Clinical Plant Science 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Proposal of optimal DNA extraction protocol from various sample types directly applicable to LAMP-based on-site diagnosis of phytoplasma diseases (2023)
  • Author(s): Mako Akahori, Akio Miyazaki, Hiroaki Koinuma, Ryosuke Tokuda, Kensaku Maejima, Shigetou Namba, Yasuyuki Yamaji
  • Organizer: The 11th International Conference of Clinical Plant Science 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] EXA1欠損によるポテックスウイルス劣性抵抗性への翻訳開始因子eIF4Eアイソフォームの関与 (2023)
  • Author(s): 西川雅展・勝浩介・鯉沼宏章・橋本将典・煉谷裕太朗・山本桐也・ 松井英譲・中神弘史・前島健作・難波成任・山次康幸
  • Organizer: 2023年日本植物病理学会大会
• [Presentation] ファイトプラズマの葉化誘導因子ファイロジェンの標的認識に関わる新規アミノ酸残基の網羅的探索 (2023)
  • Author(s): 松山 樹立, 北沢 優悟, 岩渕 望, 松本 旺樹, 山本桐也, 前島 健作, 大島 研郎, 難波 成任, 山次 康幸
  • Organizer: 2023年日本植物病理学会大会
• [Presentation] ファイロジェンとMADSドメイン転写因子の結合に影響するアミノ酸残基はひとつの相互作用面を形成する (2023)
  • Author(s): 北沢 優悟, 松山 樹立, 岩渕 望, 前島 健作, 松本 旺樹, 鈴木 誠人, 鯉沼 宏章, 大島 研郎, 難波 成任, 山次 康幸
  • Organizer: 2023年日本植物病理学会大会
• [Presentation] ファイ卜プラズマの葉化誘導因子ファイロジェンと2種類の宿主因子による三者複合体の検出 (2022)
  • Author(s): 松本旺樹・北沢優悟・岩淵 望・ 鯉沼宏章・鈴木誠人・徳田遼佑・ 前島健作・大島研郎・難波成任・ 山次康幸
  • Organizer: 令和4年度日本植物病理学会大会
• [Presentation] ファイロジェンは標的宿主因子のユビキチン非依存的なプロテアソーム分解により葉化を誘導する (2022)
  • Author(s): 北沢優悟・岩淵 望・松本旺樹・鈴木誠人・笹野百花・前島健作・ 大島研郎・難波成任・山次康幸
  • Organizer: 令和4年度日本植物病理学会大会
• [Presentation] ファイロジェンは宿主因子の保存領域を相互作用の標的とする (2022)
  • Author(s): 鈴木誠人・北沢優悟・岩淵 望・ 松本旺樹・山本桐也・前島健作・ 大島研郎・難波成任・山次康幸
  • Organizer: 令和4年度日本植物病理学会大会