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Elucidation of the mechanism for the growth promotion and for the identification of beneficial fungi via the recognition of short-chain chitin oligosaccharides in plants

Research Project

Project/Area Number 22K19182
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 39:Agricultural and environmental biology and related fields
Research InstitutionTottori University

Principal Investigator

上中 弘典  鳥取大学, 農学部, 准教授 (40397849)

Project Period (FY) 2022-06-30 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Keywordsキチンオリゴ糖 / 有益糸状菌 / 生育促進 / シロイヌナズナ / リシンモチーフ(LysM)型受容体 / トランスクリプトーム解析 / 病害抵抗性誘導 / キチン / 糸状菌
Outline of Research at the Start

糸状菌の細胞壁はキチンにより構成されている。植物は細胞外に分泌したキチナーゼにより生じたキチンオリゴ糖を受容体タンパク質で認識することで、細胞外に侵入してきた糸状菌を認識している。本研究では、植物における糸状菌の識別機構の解明を最終目的に、植物による短鎖キチンオリゴ糖の認識とそれによる生育促進と有益な糸状菌の識別がどのようにして起こるのかを、モデル植物であるシロイヌナズナを用いて分子レベルで明らかにすることを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

植物の細胞外には病原菌だけでなく、単なる内生菌や利益をもたらす共生菌など多種多様な糸状菌が常に存在する。そのため、糸状菌の識別は植物の適切な応答を規定するために非常に重要なプロセスである。糸状菌の細胞壁はキチンにより構成されており、植物は細胞外に分泌したキチナーゼにより生じたキチンオリゴ糖(CO)をリシンモチーフ(LysM)型受容体タンパク質で認識することで、細胞外に侵入してきた糸状菌を認識できる。イネでは短鎖COと長鎖COにより有益糸状菌との共生もしくは免疫が誘導される。また我々の研究により、短鎖COの認識がイネ同様シロイヌナズナでも有益糸状菌の認識と生育促進と関連していると示唆された。本研究では、植物における糸状菌の識別機構の解明を最終目的に、短鎖COの認識とそれによる生育促進と有益な糸状菌の識別がどのようにして起こるのかを、シロイヌナズナを用いて分子レベルで明らかにすることを目的して研究を行った。
“短鎖COを認識するLysM型受容体タンパク質の同定”については、COとの結合解析に用いる8つのLysM型受容体の組換えタンパク質の発現を確認し、精製を行った。“様々な糸状菌を接種した植物の表現型解析”については、有益糸状菌処理によるシロイヌナズナの全身的な病害抵抗性の誘導を確認した。また土壌病原菌接種の代わりにおよびピペコリン酸を用いても、全身的な病害抵抗性が誘導可能であることを確認した。本実験系を用い、表現型や植物ホルモン関連の遺伝子発現については有益糸状菌処理の結果と比較を行った。“トランスクリプトーム解析”については、至適濃度を決定した短鎖CO処理および有益糸状菌を接種した野生型植物およびLysM型受容体の変異体について、RNA-seqによるトランスクリプトーム解析を行うための植物サンプルを調製した。また、前年度得られたデータについては論文を執筆し、国際誌に投稿した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

COとLysM型受容体タンパク質との結合解析に用いる予定の実験系では、大腸菌で発現させた組換えタンパク質と非修飾のCOを用いて結合解析ができるDSF(Differential Scanning Fluorimetry)法を用いて実施する予定であったが、実験手法の確立に時間がかかった。手法の確立がほぼできたので、最終年度に予定された実験を全て完了予定である。また、追加で実施予定であったトランスクリプトーム解析については、変異体を用いた植物サンプルの調製に時間がかかったため、本年度未実施である。RNA-seq後の解析は短期間で実施可能であるため、次年度中に問題無く完了予定である。

Strategy for Future Research Activity

様々な糸状菌を接種した植物の表現型解析については、土壌病原菌を用いると植物にダメージが生じる問題が生じた。病原菌感染による全身誘導抵抗性(SAR)の誘導因子であるピペコリン酸処理により、SARが誘導されることが確認されたため、本処理により土壌病原菌処理を代替し、比較解析を行うことができた。しかしながら最終的的に土壌植物病原菌を用いた比較を行う必要があると考えるため、病原性が弱い病原菌を用いた実験系を平行して構築中である。トランスクリプトーム解析については、先回実施した土壌処理では処理効果のばらつきが大きかったため、発現変動遺伝子の数が限られていたと考えられた。そこで、無菌培養の系を用いた実験系も用いたが、効果が安定して認められないため、再度土壌を用いた実験系で試験を継続実施し、予定の研究を次年度完了する予定である。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 3 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Journal Article] Production of copper nanoparticle-immobilized chitin nanofibers and their role in plant disease control2023

    • Author(s)
      Egusa Mayumi、Watanabe Shunki、Li Hujun、Zewude Dagmawi Abebe、Ifuku Shinsuke、Kaminaka Hironori
    • Journal Title

      Journal of Pesticide Science

      Volume: 48 Issue: 3 Pages: 86-92

    • DOI

      10.1584/jpestics.D23-001

    • ISSN
      1348-589X, 1349-0923
    • Year and Date
      2023-08-20
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Effects of chitin nanofiber application on plant growth and its differences by soil type2023

    • Author(s)
      Endo Tsuneyoshi、Inoue Yuzuki、Kato Shun、Kaminaka Hironori、Ifuku Shinsuke
    • Journal Title

      Asian Journal of Agriculture and Rural Development

      Volume: 13 Issue: 3 Pages: 163-172

    • DOI

      10.55493/5005.v13i3.4820

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Utilization of the unused resources using nanofibrillation technology in agriculture and its future perspectives2022

    • Author(s)
      Takagi Momoko、Kaminaka Hironori
    • Journal Title

      Japanese Journal of Pesticide Science

      Volume: 47 Issue: 2 Pages: 56-59

    • DOI

      10.1584/jpestics.W22-23

    • ISSN
      2187-0365, 2187-8692
    • Year and Date
      2022-08-20
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Chitin-induced systemic disease resistance in rice requires both OsCERK1 and OsCEBiP and is mediated via perturbation of cell-wall biogenesis in leaves2022

    • Author(s)
      Takagi Momoko、Hotamori Kei、Naito Keigo、Matsukawa Sumire、Egusa Mayumi、Nishizawa Yoko、Kanno Yuri、Seo Mitsunori、Ifuku Shinsuke、Mine Akira、Kaminaka Hironori
    • Journal Title

      Frontiers in Plant Science

      Volume: 13 Pages: 1064628-1064628

    • DOI

      10.3389/fpls.2022.1064628

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] ナノファイバー化技術を用いた未利用資源の農業分野での利活用2022

    • Author(s)
      高木桃子,上中弘典
    • Journal Title

      高分子

      Volume: 71 Pages: 67-68

    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Systemic responses induced by the root colonization of beneficial fungus Trichoderma in Arabidopsis2024

    • Author(s)
      Ayae Sakai, Hisako Yamagata, Keigo Naito, Takaya Tominaga, Shinsuke Ifuku, Hironori Kaminaka
    • Organizer
      第65回日本植物生理学会年会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 銅ナノ粒子/キチンナノファイバー複合体の作製と植物病害防除に関する機能評価2023

    • Author(s)
      江草真由美、渡部舜規、李虎軍、Dagmawi Abebe Zewude、伊福伸介、上中弘典
    • Organizer
      第37回日本キチン・キトサン学会大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] シロイヌナズナキチナーゼの反応特性と機能の包括的解析2023

    • Author(s)
      酒井彩衣、上田栞子、上中弘典
    • Organizer
      第37回日本キチン・キトサン学会大会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] キチンオリゴ糖によるシロイヌナズナの生育促進メカニズムの解明2023

    • Author(s)
      酒井彩衣, 上中弘典
    • Organizer
      植物微生物研究会第32回研究交流会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Chitin/cellulose nanofiber complex from spent mushroom substrate induces local immune response and systemic disease resistance through different components in plants2023

    • Author(s)
      Momoko Takagi, Mayumi Egusa, Kayo Terao, Hujun Li, Yoko Nishizawa, Teruyuki Matsumoto, Akira Mine, Shinsuke Ifuku, Hironori Kaminaka
    • Organizer
      第13回アジア太平洋キチンキトサンシンポジウム(13th APCCS)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Comprehensive analysis of reaction property and function of Arabidopsis chitinases2023

    • Author(s)
      Ayae Sakai, Shioriko Ueda, Hironori Kaminaka
    • Organizer
      第13回アジア太平洋キチンキトサンシンポジウム(13th APCCS)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] シロイヌナズナにおいてキチンによる全身誘導抵抗性は細胞壁の機能を介して発現する2022

    • Author(s)
      山縣陽咲子,大澤薫,高木桃子,峯彰,伊福伸介,上中弘典
    • Organizer
      第31回植物微生物研究会
    • Related Report
      2022 Research-status Report

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Published: 2022-07-05   Modified: 2024-12-25  

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