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Studies on molecular mechanism of effector-mediated establishment of host specificity in plant pathogens and their application

Research Project

Project/Area Number 21H05032
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (S)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Broad Section F
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

高野 義孝  京都大学, 農学研究科, 教授 (80293918)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 大木 進野  北陸先端科学技術大学院大学, ナノマテリアルテクノロジーセンター, 教授 (70250420)
尾瀬 農之  北海道大学, 先端生命科学研究院, 教授 (80380525)
Project Period (FY) 2021-07-05 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥165,360,000 (Direct Cost: ¥127,200,000、Indirect Cost: ¥38,160,000)
Fiscal Year 2024: ¥31,720,000 (Direct Cost: ¥24,400,000、Indirect Cost: ¥7,320,000)
Fiscal Year 2023: ¥31,720,000 (Direct Cost: ¥24,400,000、Indirect Cost: ¥7,320,000)
Fiscal Year 2022: ¥31,720,000 (Direct Cost: ¥24,400,000、Indirect Cost: ¥7,320,000)
Fiscal Year 2021: ¥38,480,000 (Direct Cost: ¥29,600,000、Indirect Cost: ¥8,880,000)
Keywords植物病原糸状菌 / 宿主特異性 / エフェクター / 炭疽病菌 / 耐病性作物 / 植物病原菌 / ウリ科作物
Outline of Research at the Start

多くの植物病原菌の宿主特異性の成立には、エフェクターと総称される分泌タンパク質群が重要な役割を果たしていると推察されるが、その分子基盤は不明である。本研究では、先駆的に発見に成功している、宿主特異性成立に必須である病原菌エフェクターの解析を起点に、エフェクターを介した植物病原菌の宿主特異性成立の分子基盤を解明することを目的とする。さらに、本成果に基づき、エフェクターの戦略を遮断する、新たな耐病性作物の創出技術を開発する。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は新たに同定に成功したエフェクターEPC4について、ベンサミアナタバコにおけるPAMP誘導免疫の抑制能を調査した結果、EPC4がPAMPによって誘導される活性酸素生成を低下させる活性を有することを発見した。また、EPC1に関しては、本エフェクターを恒常的に発現させる形質転換シロイヌナズナを作成し表現型解析を実施した結果、EPC1発現シロイヌナズナでは、PAMP誘導活性酸素生成の低下が観察された。また、EPC3のN末端側フラグメント(EPC3-ND)はEPC3全長と同様に免疫抑制機能が保持されていることを明らかにしているが、このEPC3-NDに対してNMRを利用した動的構造解析の解析条件の最適化に成功させ、NMRスペクトルの解析を完了した。決定したEPC3-NDの立体構造は、5本のβストランドから成っており、2本と3本のストランドがそれぞれ逆平行βシートを形成し、これらの2枚のβシートが向かい合った立体構造をとることを明らかにした。さらに、EPC3とその標的分子であるBIP5に関しては、共免疫沈降解析に加えて、酵母ツーハイブリッド解析でも結合が検出され、その直接結合がより強く示唆された。EPC1の標的候補であるIOS1に関して、ウリ科作物であるメロンにおいてノックダウン解析を実施したところ、IOS1ノックダウン植物では、PAMP誘導活性酸素の生成低下が観察され、IOS1がメロンの免疫システムに関与することが示唆された。さらなる病原性エフェクターの探索に関しては、まず、ウリ類炭疽病菌と近縁種との比較オミクス解析より絞り込んだ6候補遺伝子の6重変異体が特定のメロン系統に対して病原性の低下を示すことを発見した。また、EPC1~4遺伝子の発現を正に制御する転写因子(TFV1と命名)を発見した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

計画どおり、発見しているEPCエフェクターおよび新たに発見したEPC4の植物免疫抑制能に関する知見が着実に得られている。また、構造解析については、EPC3-NDについてNMRによる構造解析を実施し、一連の多次元NMRデータを解析し、ほぼ全ての1H, 13C及び15Nの信号を帰属することができ、その構造決定に成功している。また、EPC1の標的候補として同定されたIOS1に関しては、本因子がメロンの免疫システムに関与することを明らかにしており、この結果はIOS1がEPC1の標的であることをさらに支持する。また、オービクラクレード内の別種との比較ゲノミクス、トランスクリプトミクス解析より、宿主特異性に関する新規エフェクターの探索を実施していたが、本年度の研究により、絞り込んだ6候補遺伝子の6重変異体が特定のメロン系統に対して病原性の低下を示すことを発見している。興味深いことに、この6重変異体はキュウリなどへの病原性は野生株と同等であり、特定のメロン系統への病原性に特異的に寄与していることが推察され、宿主特異性の概念を理解する上で重要な発見である。さらにEPC1~4遺伝子の発現を正に制御する新規の転写因子TFV1の発見に成功しており、TFV1破壊株を活用することで、宿主特異性に関与するエフェクター(EPCエフェクター)を網羅化できると期待される。また、酵母ツーハイブリッド解析においてもEPC3(およびEPC3-ND)とBIP5の結合が検出された結果を受けて、BIPの構造情報と、本研究で構造決定したEPC3-NDの構造情報に基づく結合領域予測を行い、その結果、結合に関わるBIP5のアミノ酸残基の有力候補を同定しており、解析中の段階である。以上より、本研究は順調に進展しており、一部に関しては当初の計画以上に進展していると評価する。

Strategy for Future Research Activity

新たに同定したEPC4も加えて、引き続きEPCエフェクターの機能および構造解析を推進していく。新たに発見したEPC4は、その単独遺伝子破壊株(104-T系統背景)がキュウリ、メロンへの病原性に関して劇的な低下を示す。このEPC4の植物免疫抑制活性を、メロンでの一過的発現系を用いて調査する。さらにその結果に基づき、必要に応じてEPC4を恒常的に発現する形質転換シロイヌナズナを作成し、その免疫反応を調査する。また、EPC3-NDについて、測定したNMR緩和時間データの解析を完了し、さらに分子内の運動性を明らかにする。一方、BIP5はHSP70 ファミリーに属することから、反応段階に応じて異なった複数のコンフォメーションを取ることが予測され、現在調製できた二量体のコンフォメーションとは異なったコンフォメーションで相互作用を確認する必要があり、そのための各種解析を実施する。EPC1に関して試料調製方法を確立して、溶液NMRによる解析の可能性を検討する。また、EPC1とIOS1のキナーゼドメインの共発現を試みる。複合体が得られ次第,結晶化試行とクライオ電顕解析を同時並行で進める。さらなる病原性エフェクターの探索に関しては、まず、ウリ類炭疽病菌と近縁種との比較オミクス解析より絞り込んだ6候補遺伝子の6重変異体が特定のメロン系統に対して病原性の低下を示すことを発見したが、この6遺伝子のどれが本菌の病原性に関与しているのかを特定する。また、EPC1~4遺伝子の発現を制御する転写因子TFV1の発見に成功しており、このTFV1破壊株と野生株の比較トランスクリプトミクス解析などより、新規の病原性エフェクター候補を選抜し、遺伝子破壊株を作出する。また、構造情報および複合体予測情報に基づき同定したEPC3(およびEPC3-ND)とBIP5の結合予測部位に関してその検証作業を進めていく予定である。

Assessment Rating
Interim Assessment Comments (Rating)

A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.

Report

(7 results)
  • 2023 Abstract (Interim Assessment) ( PDF )   Annual Research Report   Interim Assessment (Comments) ( PDF )
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Abstract ( PDF )   Comments on the Screening Results ( PDF )   Annual Research Report
  • Research Products

    (23 results)

All 2024 2023 2022 2021

All Journal Article (8 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 5 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Guanosine‐specific single‐stranded ribonuclease effectors of a phytopathogenic fungus potentiate host immune responses2024

    • Author(s)
      Kumakura Naoyoshi、Singkaravanit‐Ogawa Suthitar、Gan Pamela、Tsushima Ayako、Ishihama Nobuaki、Watanabe Shunsuke、Seo Mitsunori、Iwasaki Shintaro、Narusaka Mari、Narusaka Yoshihiro、Takano Yoshitaka、Shirasu Ken
    • Journal Title

      New Phytologist

      Volume: 242 Issue: 1 Pages: 170-191

    • DOI

      10.1111/nph.19582

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Selective deployment of virulence effectors correlates with host specificity in a fungal plant pathogen2023

    • Author(s)
      Inoue Yoshihiro、Phuong Vy Trinh Thi、Singkaravanit‐Ogawa Suthitar、Zhang Ru、Yamada Kohji、Ogawa Taiki、Ishizuka Junya、Narusaka Yoshihiro、Takano Yoshitaka
    • Journal Title

      New Phytologist

      Volume: 238 Issue: 4 Pages: 1578-1592

    • DOI

      10.1111/nph.18790

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Nonhost resistance and effectors in interactions between Colletotrichum species and plants2023

    • Author(s)
      Takano Yoshitaka、Inoue Yoshihiro、Zhang Ru、Singkaravanit-Ogawa Suthitar、Matsuo Hiroki、Ogawa Taiki、Jin Chujia
    • Journal Title

      Physiological and Molecular Plant Pathology

      Volume: 125 Pages: 101982-101982

    • DOI

      10.1016/j.pmpp.2023.101982

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] The establishment of multiple knockout mutants of Colletotrichum orbiculare by CRISPR-Cas9 and Cre-loxP systems2023

    • Author(s)
      Yamada Kohji、Yamamoto Toya、Uwasa Kanon、Osakabe Keishi、Takano Yoshitaka
    • Journal Title

      Fungal Genetics and Biology

      Volume: 165 Pages: 103777-103777

    • DOI

      10.1016/j.fgb.2023.103777

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Recognition of pathogen-derived sphingolipids in <i>Arabidopsis</i>2022

    • Author(s)
      Kato H.、Nemoto K.、Shimizu M.、Abe A.、Asai S.、Ishihama N.、Matsuoka S.、Daimon T.、Ojika M.、Kawakita K.、Onai K.、Shirasu K.、Yoshida M.、Ishiura M.、Takemoto D.、Takano Y.、Terauchi R.
    • Journal Title

      Science

      Volume: 376 Issue: 6595 Pages: 857-860

    • DOI

      10.1126/science.abn0650

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Fungal effector SIB1 of Colletotrichum orbiculare has unique structural features and can suppress plant immunity in Nicotiana benthamiana2021

    • Author(s)
      Zhang Ru、Isozumi Noriyoshi、Mori Masashi、Okuta Ryuta、Singkaravanit-Ogawa Suthitar、Imamura Tomohiro、Kurita Jun-Ichi、Gan Pamela、Shirasu Ken、Ohki Shinya、Takano Yoshitaka
    • Journal Title

      Journal of Biological Chemistry

      Volume: 297 Issue: 6 Pages: 101370-101370

    • DOI

      10.1016/j.jbc.2021.101370

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Arabidopsis <i>CURLY LEAF</i> functions in leaf immunity against fungal pathogens by concomitantly repressing <i>SEPALLATA3</i> and activating <i>ORA59</i>2021

    • Author(s)
      Singkaravanit‐Ogawa Suthitar、Kosaka Ayumi、Kitakura Saeko、Uchida Kotaro、Nishiuchi Takumi、Ono Erika、Fukunaga Satoshi、Takano Yoshitaka
    • Journal Title

      The Plant Journal

      Volume: 108 Issue: 4 Pages: 1005-1019

    • DOI

      10.1111/tpj.15488

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Multiple <i>Colletotrichum</i> species commonly exhibit focal effector accumulation in a biotrophic interface at the primary invasion sites in their host plants2021

    • Author(s)
      Ogawa Taiki、Chen Jinlian、Mise Kazuyuki、Takano Yoshitaka
    • Journal Title

      Plant Signaling & Behavior

      Volume: 16 Issue: 10 Pages: 1935604-1935604

    • DOI

      10.1080/15592324.2021.1935604

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Selective deployment of virulence effectors shapes host specificity in a fungal plant pathogen Colletotrichum orbiculare2023

    • Author(s)
      Yoshitaka Takano
    • Organizer
      2023 IS-MPMI CONGRESS
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Identification of a watermelon resistance gene against Colletotrichum orbiculare by bulked segregant analysis and gene transfer to cucumber2023

    • Author(s)
      Chujia Jin, Yoshihiro Inoue, Suthitar Singkaravanit-Ogawa, Akihito Kano2, Anthony P. Keinath, Akira Abe, Ryohei Terauchi, Yoshitaka Takano
    • Organizer
      2023 IS-MPMI CONGRESS
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Two homologous transcription factors play critical roles for host specificity of Colletotrichum orbiculare on cucurbits via controlling effector expression2023

    • Author(s)
      Ru Zhang, Yoshihiro Inoue, Taiki Ogawa, Akira Mine, Kazuyuki Mise, Yoshitaka Takano
    • Organizer
      2023 IS-MPMI CONGRESS
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] エフェクターに基づくウリ類炭疽病菌の宿主特異性成立の分子機構研究とその応用展開2023

    • Author(s)
      高野義孝
    • Organizer
      日本育種学会 第144回講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Two homologous Zn2Cys6 transcription factors play crucial roles in host specificity of Colletotrichum orbiculare by controlling the expression of cucurbit-specific virulence effector2023

    • Author(s)
      Ru Zhang, Kazuyuki Mise, Akira Mine and Yoshitaka Takano
    • Organizer
      令和6年度日本植物病理学会大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Loss of CmFLS2 and subsequent expansion after domestication have generated commercial cultivars defective in flagellin recognition2023

    • Author(s)
      Chujia Jin, Hiroki Matsuo, Yoshizo Nakayama, Gentaro Shigita, Yoshihiro Inoue, Kenji Kato, and Yoshitaka Takano1
    • Organizer
      令和6年度日本植物病理学会大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] nlp24 ペプチドがシロイヌナズナにおいて活性化する免疫応答には, BAK1 依存的な経路と非依存的な経路が存在する2023

    • Author(s)
      大野 恵梨佳、加藤 大明、小内清、峯 彰、三瀬 和之、寺内 良平、白須 賢、高野義孝
    • Organizer
      令和6年度日本植物病理学会大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] ウリ類炭疽病菌の分泌型リボヌクレアーゼは宿主植物の免疫反応を増強する2023

    • Author(s)
      熊倉直祐、Suthitrar Ogawa, Pamela Gan, 津島綾子、石濱伸明、渡邊俊介、瀬尾光範、岩崎信太郎、鳴坂真理、鳴坂義弘、高野義孝、白須賢
    • Organizer
      令和6年度日本植物病理学会大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 植物病原菌エフェクターEPC3のNMR解析2023

    • Author(s)
      XU Zhe, 高野義孝、大木進野
    • Organizer
      第62回 NMR討論会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 廣川 量,碓井 拓哉,大木 進野,高野 義孝,尾瀬 農之2023

    • Author(s)
      ウリ科植物の免疫を阻害するエフェクタータンパク質と標的因子の 相互作用機構の解明
    • Organizer
      第23回日本蛋白質科学会年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] ウリ類炭疽病菌の病原性に関与するエフェクターEPC1の解析2022

    • Author(s)
      氏松蓮・井上喜博・Trinh Thi Phuong Vy・Singkaravanit-Ogawa Suthitar・西内巧・峯彰・三瀬和之・高野義孝
    • Organizer
      令和4年度日本植物病理学会関西部会(高知市高知会館)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] ウリ類炭疽病菌の宿主特異性に関与するエフェクター候補の探索:アオイ科植物炭疽病菌およびアルファルファ炭疽病菌との比較解析2022

    • Author(s)
      小川泰生・井上喜博・松尾宏樹・久保康之・峯彰・三瀬和之・高野義孝
    • Organizer
      令和4年度日本植物病理学会関西部会(高知市高知会館)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 異なる不適応型炭疽病菌を用いたシロイヌナズナの非宿主抵抗性の研究2022

    • Author(s)
      太田慶明・Singkaravanit-Ogawa Suthitar・峯彰・三瀬和之・高野義孝
    • Organizer
      令和4年度日本植物病理学会関西部会(高知市高知会館)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Host specificity and effector in Colletotrichum fungi2022

    • Author(s)
      Takano Y
    • Organizer
      12th Japan-US Seminar in Plant Pathology (Cornell University, Ithaca, NY)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Identification of a watermelon resistance gene against Colletotrichum orbiculare by bulked segregant analysis and gene transfer to cucumber2022

    • Author(s)
      Jin C, Inoue Y, Singkaravanit-Ogawa S, Kano A, Keinath AP, Abe A, Terauchi R, Takano Y
    • Organizer
      12th Japan-US Seminar in Plant Pathology (Cornell University, Ithaca, NY)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2021-07-08   Modified: 2024-12-25  

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