Comparative chemical genomic analysis on plant parasitism

• Project/Area Number: 21H04775
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 44:Biology at cellular to organismal levels, and related fields
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 土屋 雄一朗 名古屋大学, トランスフォーマティブ生命分子研究所, 特任教授 (00442989)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥42,120,000 (Direct Cost: ¥32,400,000、Indirect Cost: ¥9,720,000); Fiscal Year 2025: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2024: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2023: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2022: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2021: ¥15,860,000 (Direct Cost: ¥12,200,000、Indirect Cost: ¥3,660,000)
• Keywords: 寄生植物 / シグナル分子 / 誘引 / ストリゴラクトン / 誘因 / 植物ホルモン / 蛍光プローブ / 化学屈性

Outline of Research at the Start

寄生植物は、植物形態の基本的な枠組みを逸脱することなく、動物のように従属栄養として生きる能力を独自に進化させた高等植物であるが、実験室での生育が困難なことから、多くの発生プロセスにおいて不明な点が多数残されている。本研究では、独自に収集した寄生植物コレクションを用い、生物種を問わずに機能レベルでの解析を可能とする低分子プローブを活用することで、寄生植物が発芽して寄生に至るプロセスの解明を目指す。アフリカの穀物生産に甚大な被害を引き起こす寄生植物であるストライガの新たな防除法の開発につながると期待される。

Outline of Annual Research Achievements

寄生植物は、植物形態の基本的な枠組みを逸脱することなく、動物のように従属栄養として生きる能力を独自に進化させた高等植物であるが、実験室での生育が 困難なことから、多くの発生プロセスにおいて不明な点が多数残されている。本研究では、独自に収集した宿主依存度の異なる寄生植物コレクションを用い、生物種を問わずに機能レベルでの解析を可能とする低分子プローブを活用することで、寄生植物が宿主の根に向かって伸張する「化学屈性」と呼ばれる未だ実態の明らかとなっていない能力の存在を立証することを目的とした。これを達成するため、モデル寄生植物としてハマウツボ科の半寄生植物であるセイヨウヒキヨモ ギを設定し、宿主であるヨモギへの誘因反応に関する基本的な遺伝経路の解析を行った。今年度は、スプリットシャーレを用いたアッセイ形を確立し、水溶性の因子および揮発性因子による誘因機構それぞれについて阻害剤を用いた試験を行った。また、水溶性因子と揮発性因子の相互作用についても応答性の解析を進めた。また、想定された誘導性遺伝子のRT-qPCRによる発現解析、重力屈性に関わるアミロプラストの観察等を行った。さらに、未同定である揮発性誘因因子の構造決定に向け、固相マイクロ抽出法 (SPME)法を用いた揮発性分子の回収とGC-MSによる比較解析を行った。候補となる分子のうち、購入可能なものに関しては手に入れ、in vitroの誘引試験を行った。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の想定である遺伝回路の基本構成は明らかとなり、オーキシン蛍光プローブの解析も行った。さらに、当初は想定していなかったシグナル分子の構造同定へと準備を進めることができたため、想定以上の進展と判断した。

Strategy for Future Research Activity

トランスクリプトーム解析、および揮発性の誘因因子の構造決定に向けた研究を進める.SPME法については装置のセットアップが完了し、揮発性分子の網羅的解析が可能になった。まず、栄養、光、生育ステージ等、誘引因子を放出するヨモギ側の生理条件を検討し、差が見られる条件にてSPME解析を行うことで、誘引因子を発する条件でのみ見られるピークの検出を試みる。分子量と開裂のパターンをライブラリーと照合することで構造を推定することができるプラットフォームを設定したため、既知の分子であった場合はこの条件で構造を決定できると考えられる。購入可能なものに関しては入手し、化合物単独での誘因活性、および誘因を起こさない条件でヨモギに与えたときに誘因活性が復活するか等のアッセイにより検証する。トランスクリプトームに関しては、当初予定していたケミカルトランスクリプトームに先立ち、通常のトランスクリプトーム解析をまず行う。抽出した水溶性因子、およびスプリットシャーレを用いたヨモギからの揮発性因子に対する転写産物の応答を解析し、誘導性の遺伝子等を同定や、水溶性因子と揮発性因子の相互作用に関する解析を行う。これにあたり、セイヨウヒキヨモギはゲノムが読まれていないため、ゲノムが読まれているコシオガマのデータを参照し、de novo assemblyと組み合わせてリファレンス配列の作成を行う。

Research Products

• [Journal Article] Gibberellins Promote Seed Conditioning by Up-Regulating Strigolactone Receptors in?the Parasitic Plant <i>Striga hermonthica</i> (2023)
  • Author(s): Yap Jia Xin、Tsuchiya Yuichiro
  • Journal Title: Plant And Cell Physiology Volume: 64 Issue: 9 Pages: 1021-1033
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad056
• [Presentation] Gibberellins promote seed conditioning by up-regulating strigolactone receptors in the parasitic plant Striga hermonthica (2024)
  • Author(s): Yap Jia Xin and Yuichiro Tsuchiya
  • Organizer: 第65回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Unknown volatile compounds orient roots of parasitic plant toward host, (2023)
  • Author(s): Yuichiro Tsuchiya
  • Organizer: The 24th International Conference on Plant Growth Substances
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 有害寄生植物オロバンキの自殺発芽剤の開発 (2023)
  • Author(s): 榊原悠太、佐藤綾人、土屋雄一朗
  • Organizer: 植物化学調節学会第 58 回大会
• [Presentation] Gibberellins promote seed conditioning by up-regulating strigolactone receptors in the parasitic plant Striga hermonthica (2023)
  • Author(s): Yap Jia Xin and Yuichiro Tsuchiya
  • Organizer: 植物化学調節学会第 58 回大会
• [Presentation] Unknown volatile compounds orient roots of parasitic plant toward host (2023)
  • Author(s): 林 万理奈, 土屋雄一朗
  • Organizer: 植物化学調節学会第 58 回大会
• [Presentation] 実は誰もみたことがないオーキシンの細胞間の移動 (2023)
  • Author(s): 土屋 雄一朗
  • Organizer: 植物生理学会サテライトシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Unknown signaling molecules direct roots of parasitic plants toward host plants (2023)
  • Author(s): 林 万理奈
  • Organizer: 植物生理学会
• [Presentation] Effect of Strigolactones Hydrolysis on Striga Germination (2023)
  • Author(s): 塩谷 翔
  • Organizer: 植物生理学会
• [Presentation] Functional analysis of parasitic plant Striga hermonthica germination inhibitor RTC2 (2022)
  • Author(s): Yap Jia Xin
  • Organizer: 植物化学調節学会