イネNLR型抵抗性遺伝子の進化様式を利用した罹病性遺伝子の同定

• Project/Area Number: 21K14834
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 39010:Science in plant genetics and breeding-related
• Research Institution: Iwate Biotechnology Research Center
• Principal Investigator: 清水 元樹 公益財団法人岩手生物工学研究センター, ゲノム育種研究部, 主任研究員 (90734343)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: NLR / Integrated domain (ID) / ペアNLR / Integrated Domain / 罹病性因子 / NLR型抵抗性遺伝子 / エフェクター標的因子

Outline of Research at the Start

NLR型抵抗性遺伝子にみられる特異な進化様式に着目し、病原菌エフェクター標的因子の同定を進め、その育種利用を目的とする。イネNLR型抵抗性遺伝子には、Integrated Domain(ID)を介していもち病菌の非病原力エフェクターを認識するNLR-IDの構造を持つ遺伝子が存在する。IDは、NLRの進化過程で挿入された宿主の他の遺伝子産物と考えられる。IDは本来、病原菌エフェクターの標的として存在しているが、NLR-IDにおいてはDecoy(囮)として機能していると推察される。そこで、Oryza属におけるIDの多様性を明らかにし、IDと高い配列相同性を持つ宿主タンパク質の機能解析を行う。

Outline of Annual Research Achievements

いもち病抵抗性タンパク質Piasは、2つのNLR型受容体（Pias-1とPias-2）をによって構成され、Pias-1は抵抗性反応の実行因子としての役割を持つ一方で、Pias-2はいもち病菌因子の認識に関わる役割を持つ。Pias-2には、IDとしてDUF761が存在する。Oryza属に含まれる様々な種（O. sativa、O. rufipogon、O. punctataなど）や他のイネ科植物のゲノム配列情報を利用してPias遺伝子座の変異を調査したところ、Pias-2対立遺伝子産物にはDUF761の位置にPKc_MAPKKやWRKYなどの様々な種類のタンパク質の断片が存在していた。さらに、Pias-2対立遺伝子産物のIDの種類を集計したところ、Aゲノム種が持つIDとしてはDUF761、HMA、DUF677が優占する一方で、他のゲノム種においては、HMA、DUF677、PKc_MAPKKが優占していた。興味深いことに、DUF761をIDとして持つPias-2対立遺伝子産物はAゲノム種のみに見られ、PKc_MAPKKをIDとして持つものはO. punctataなどの系統に限られた。Pias-2を特定した「Keiboba」のゲノム情報を詳細に調べるとPias-2のごく近傍にO. punctataが持つID（PKc_MAPKK）領域と高い相同性の領域があることを見出した。これらの結果から、Pias-2の進化過程においてIDの着脱（PKc_MAPKKからDUF761）が起きたと推定される。Oryza属における、IDの分布を詳細に調べた結果から、着目すべきイネ遺伝子を7つまでに絞り込んだ。

Current Status of Research Progress

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

Reason

IDと相同性が高い配列を持つイネ遺伝子の欠損系統をイネ系統「ひとめぼれ」に対してCRISPR/Cas9法によって遺伝子欠損イネの作成を開始した。

Strategy for Future Research Activity

現在、IDと相同性の高いイネ遺伝子を欠損させたイネ系統の作出を行っている。十分な種子数が得られ次第、接種検定、およびRNAseq等を行うことで、標的とした遺伝子の機能解析を進める。

Research Products

• [Int'l Joint Research] John Innes Centre/The Sainsbury Laboratory(英国)
• [Journal Article] Disentangling the complex gene interaction networks between rice and the blast fungus identifies a new pathogen effector (2023)
  • Author(s): Sugihara Y, Abe Y, Takagi H, Abe A, Shimizu M, Ito K, Kanzaki E, Oikawa K, Kourelis J, Langner T, Win J, Bialas A, Ludke D, Contreras MP, Chuma I, Saitoh H, Kobayashi M, Zheng S, Tosa Y, Banfield MJ, Kamoun S, Terauchi R, Fujisaki K
  • Journal Title: PLOS Biology Volume: 21 Issue: 1 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1371/journal.pbio.3001945
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Isolation of <i>Pikps</i>, an allele of <i>Pik</i>, from the <i>aus</i> rice cultivar Shoni (2022)
  • Author(s): Kovi B, Sakai T, Abe A, Kanzaki E, Terauchi R, Shimizu M
  • Journal Title: Genes & Genetic Systems Volume: 97 Issue: 5 Pages: 229-235
  • DOI: 10.1266/ggs.22-00002
  • ISSN: 1341-7568, 1880-5779
  • Year and Date: 2022-10-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A genetically linked pair of NLR immune receptors shows contrasting patterns of evolution (2022)
  • Author(s): Shimizu M,Hirabuchi, Sugihara Y, Abe A, Takeda T, Kobayashi M, Hiraka Y, Kanzaki E, Oikawa K, Saitoh H, Langner T, Banfield MJ, Kamoun S, Terauchi R
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 119 Issue: 27 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1073/pnas.2116896119
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rice apoplastic CBM1-interacting protein counters blast pathogen invasion by binding conserved carbohydrate binding module 1 motif of fungal proteins (2022)
  • Author(s): Takeda T, Takahashi M, Shimizu M, Sugihara Y, Yamashita T, Saitoh H, Fujisaki K, Ishikawa K, Utsushi H, Kanzaki E, Sakamoto Y, Abe A, Terauchi R
  • Journal Title: PLOS Pathogens Volume: 18 Issue: 9 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1371/journal.ppat.1010792
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effector target-guided engineering of an integrated domain expands the disease resistance profile of a rice NLR immune receptor (2022)
  • Author(s): Maidment JHR、Shimizu M、Vera S、Franceschetti M、Longya A、Stevenson CEM、De la Concepcion JC、Bia?as A、Kamoun S、Terauchi R、Banfield MJ
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2022.06.14.496076
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Barley MLA3 recognizes the host-specificity determinant PWL2 from rice blast (<i>M. oryzae</i>) (2022)
  • Author(s): Brabham Helen J.、De La Cruz Diana G?mez、Were Vincent、Shimizu M, Saitoh H, Inmaculada HP, Green P, Lorang J, Fujisaki K, Sato K, Molnar I, Simkova H, Dolezel J, Russell J, Taylor J, Smoker M, Gupta YK, Wolpert T, Talbot NJ, Terauchi R, Moscou MJ
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2022.10.21.512921
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The rice <scp>OsERF101</scp> transcription factor regulates the <scp>NLR</scp> Xa1‐mediated immunity induced by perception of <scp>TAL</scp> effectors (2022)
  • Author(s): Yoshihisa Ayaka、Yoshimura Satomi、Shimizu Motoki、Sato Sayaka、Matsuno Shogo、Mine Akira、Yamaguchi Koji、Kawasaki Tsutomu
  • Journal Title: New Phytologist Volume: 236 Issue: 4 Pages: 1441-1454
  • DOI: 10.1111/nph.18439
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Genomic exploration of host specificity determinants identifies wheat blast effectors that are recognized by rice NLR (2023)
  • Author(s): Motoki Shimizu; Adam Bentham; Soichiro Asuke; Yukio Tosa; Sophien Kamoun; Mark Banfield; Ryohei Terauchi
  • Organizer: International Helper-and Paired NLR Mini-Symposium 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] イネいもち病抵抗性遺伝子Piasと対応する非病原力遺伝子AVR-Piasの単離 (2022)
  • Author(s): 清水 元樹; 杉原 優; 宮路 直実; 阿部 陽; 寺内 良平
  • Organizer: 日本育種学会第142回講演会
• [Book] イネいもち病抵抗性タンパク質は付加ドメインを"擬似餌"として病原抵抗性を誘導する (2023)
  • Author(s): 清水 元樹; 寺内 良平
  • Total Pages: 4
  • Publisher: バイオサイエンスとインダストリー
• [Remarks] イネのいもち病抵抗性機構の解明
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2022-07-22-2