Novel chemical control for the production of useful plant substances

• Project/Area Number: 22K19160
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 38:Agricultural chemistry and related fields
• Research Institution: Tokyo University of Science
• Principal Investigator: 朽津 和幸 東京理科大学, 理工学部応用生物科学科, 教授 (50211884)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
• Keywords: 特化代謝 / ジャスモン酸 / フェニルプロパノイド経路 / 二次代謝 / 乳液 / オミクス解析 / 植物有用物質生産

Outline of Research at the Start

最近研究代表者らが見出した、モデル植物に処理すると、ジャスモン酸(JA)の内生量を増加させる化合物の、乳管細胞の分化、二次代謝産物の合成に対する影響に焦点を当て、有用物質生産に用いられる種々の植物種に供試し、応用可能性を探索する。一方モデル植物を用いて作用機序の解明を進める。こうしたアプローチにより、植物による有用物質生産の類例のない制御技術の基盤確立を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の対象とする化合物の有機溶媒、界面活性剤に対する溶解性を調査し、植物体内に導入する方法を検討した。化合物を高濃度に処理すると副作用が生じる可能性が明らかとなり、遺伝子発現を指標として、様々な生育ステージの植物について、化合物の処理方法を比較検討し、最適化を進めた。
本化合物をモデル植物シロイヌナズナの幼植物体に処理した際に誘導される遺伝子発現変化の時系列変化をRNA-seq法により網羅的に解析した。Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomesを用いてエンリッチメント解析を行った結果、処理後短時間のうちに、ジャスモン酸経路、サリチル酸経路の遺伝子に加えて、種々の特化代謝産物の代謝経路、特に種々の有用物質の生合成経路の上流に位置するフェニルプロパノイド経路の生合成関連遺伝子群の発現が誘導されることが明らかとなった。またcis-elementエンリッチメント解析により、本化合物処理により発現変動が見られた遺伝子群の転写制御に関与する可能性のある転写因子の候補を同定した。
種々のビオチン化標識化合物を合成し、ビーズ法により、化合物に特異的に結合するタンパク質の単離同定を目指した実験を進めた。
またタバコ培養細胞BY-2及びシロイヌナズナ培養細胞T-87に化合物を処理し、処理濃度、処理時間を変えながら影響を解析した。代謝産物を高速液体クロマトグラフィ法で分析し、化合物処理の影響の解析を進めた。
モデル植物以外に、特有の特化代謝産物の合成能を持つ植物種を用いた実験系に関する情報を収集し、本化合物の効果を調査する準備を進めた。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

モデル植物シロイヌナズナの時系列トランスクリプトーム解析に基づく化合物の作用機能の解明は概ね順調に進展した。一方で、化合物を高濃度に処理すると副作用が生じる可能性が明らかとなり、処理条件の検討に当初の予想以上の時間を要した。また、有用物質生産に用いられる実用植物種を用いた実験、特に国際共同研究は、材料の入手や実験の準備に当初の予想以上の時間を要した。

Strategy for Future Research Activity

モデル植物シロイヌナズナを用いた実験により化合物の標的や作用機構の解明を進める。
実験に供する植物種を拡げ、化合物の処理条件の検討を進め、特化代謝活性化の可能性を検証する。

Research Products

• [Journal Article] Detection of NO3- introduced in plasma-irradiated dry lettuce seeds using liquid chromatography-electrospray ionization quantum mass spectrometry (LC-ESI QMS) (2022)
  • Author(s): Okumura Takamasa、Attri Pankaj、Kamataki Kunihiro、Yamashita Naoto、Tsukada Yuichi、Itagaki Naho、Shiratani Masaharu、Ishibashi Yushi、Kuchitsu Kazuyuki、Koga Kazunori
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1 Pages: 12525-12525
  • DOI: 10.1038/s41598-022-16641-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Quantitative Analysis for ROS-Producing Activity and Regulation of Plant NADPH Oxidases in HEK293T Cells (2022)
  • Author(s): Kimura Sachie、Kaya Hidetaka、Hashimoto Kenji、Wrzaczek Michael、Kuchitsu Kazuyuki
  • Journal Title: Methods in Molecular Biology Volume: 2526 Pages: 107-122
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-2469-2_8
  • ISBN: 9781071624685, 9781071624692
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Regulation of PaRBOH1-mediated ROS production in Norway spruce by Ca2+ binding and phosphorylation (2022)
  • Author(s): Nickolov Kaloian、Gauthier Adrien、Hashimoto Kenji、Laitinen Teresa、Vaisanen Enni、Paasela Tanja、Soliymani Rabah、Kurusu Takamitsu、Himanen Kristiina、Blokhina Olga、Fagerstedt Kurt V.、Jokipii-Lukkari Soile、Tuominen Hannele、Haggman Hely、Wingsle Gunnar、Teeri Teemu H.、Kuchitsu Kazuyuki、Karkonen Anna
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 13 Pages: 978586-978586
  • DOI: 10.3389/fpls.2022.978586
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] ジャスモン酸・サリチル酸双方の経路を活性化する新規化合物の構造活性相関と標的因子の解析 (2023)
  • Author(s): 朽津和幸，舟橋汰樹，並木健太郎，北畑信隆，斉藤優歩，中野正貴，橋本研志，浅見忠男，木村成介，男澤翔矢，根本健司，粟野眞妃，倉持幸司 坪山祥子、奥村賢直、古閑一憲、白谷正治
  • Organizer: 第６４回日本植物生理学会年会・東北大学
• [Presentation] シロイヌナズナにジャスモン酸・サリチル酸双方の蓄積を誘導する新規化合物の作用機構の解析 (2023)
  • Author(s): 並木 健太郎, 神代 遥 , 遠矢 龍平, 小川 瑞貴, 小川 聡太, 北畑 信隆 , 斉藤 優歩, 中野 正貴, 舟橋 汰樹, 橋本 研志, 倉持 幸司, 浅見 忠男, 安部 洋, 高橋史憲,木村 成介, 朽津 和幸
  • Organizer: 第６４回日本植物生理学会年会・東北大学
• [Presentation] 植物のジャスモン酸・サリチル酸双方の経路を活性化する抵抗性誘導候補化合物の構造活性相関・作用機序の解析と灰色カビ病菌に対する効果 (2023)
  • Author(s): 小川 聡太, 並木 健太郎, 舟橋 汰樹, 遠矢 龍平, 神代 遥, 小川 瑞貴,粟野 眞妃，北畑 信隆, 斉藤 優歩, 中野 正貴, 橋本 研志, 倉持 幸司, 安部 洋, 浅見 忠男, 木村 成介, 朽津 和幸
  • Organizer: 令和5年度日本植物病理学会大会
• [Presentation] 植物のジャスモン酸・サリチル酸双方の経路を活性化する化合物の抵抗性誘導効果と作用機序の解析 (2022)
  • Author(s): 小川 瑞貴, 並木 健太郎, 舟橋 汰樹, 遠矢 龍平, 神代 遥, 小川 聡太, 松本 史織, 前田 健太郎, 北畑 信隆, 斉藤 優歩, 中野 正貴, 橋本 研志, 倉持 幸司, 阿部 洋, 浅見 忠男, 木村 成介, 朽津 和幸
  • Organizer: 令和4年度日本植物病理学会関東部会
• [Presentation] シロイヌナズナにジャスモン酸・サリチル酸の蓄積を誘導する新規化合物の作用機構の解析 (2022)
  • Author(s): 並木 健太郎,北畑 信隆,斉藤 優歩,中野 正貴,西田 えり佳,舟橋 汰樹,遠矢 龍平,松本 史織,前田 健太郎,橋本 研志,倉持 幸司,安部 洋,浅見 忠男,木村 成介,朽津 和幸
  • Organizer: 植物化学調節学会第57回福井大会
• [Presentation] 網羅的遺伝子発現解析による新規植物免疫活性化剤候補化合物 CY8 の作用機構の解析 (2022)
  • Author(s): 並木 健太郎，神代 遥，北畑 信隆，木村 成介，橋本 研志，朽津 和幸
  • Organizer: 2022年度生物環境イノベーション研究部門公開シンポジウム 「生命の環境センシング技術の最前線」
• [Presentation] シロイヌナズナの病虫害抵抗性に対する植物免疫活性化候補化合物 CY8 の効果の解析 (2022)
  • Author(s): 遠矢龍平，小川聡太，小川瑞貴，中野正貴，橋本研志，朽津和幸
  • Organizer: 2022年度生物環境イノベーション研究部門公開シンポジウム 「生命の環境センシング技術の最前線」
• [Presentation] 新規植物免疫活性化剤の構造活性相関と作用機構の解析 (2022)
  • Author(s): 舟橋汰樹、北畑信隆、中野正貴、橋本研志、朽津和幸
  • Organizer: 2022年度生物環境イノベーション研究部門公開シンポジウム 「生命の環境センシング技術の最前線」
• [Presentation] ROS and Ca2+-mediated regulation of development and stress responses in Marchantia polymorpha. (2022)
  • Author(s): Kazuyuki Kuchitsu
  • Organizer: Julius von Sachs Colloquium
  • Int'l Joint Research / Invited