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Elucidation of the molecular mechanism for disease resistance through abscisic acid receptor in wheat

Research Project

Project/Area Number 23K23563
Project/Area Number (Other) 22H02297 (2022-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 38060:Applied molecular and cellular biology-related
Research InstitutionInstitute of Physical and Chemical Research (2023-2024)
Utsunomiya University (2022)

Principal Investigator

岡本 昌憲  国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, チームリーダー (50455333)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 梅澤 泰史  東京農工大学, (連合)農学研究科(研究院), 教授 (70342756)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000)
Fiscal Year 2025: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Keywords植物ホルモン / アブシシン酸 / サリチル酸 / コムギ / 妨害応答 / 受容体 / 耐乾性 / 病害抵抗性 / うどんこ病菌
Outline of Research at the Start

乾燥ストレスに関わる植物ホルモンのアブシシン酸(ABA)と病害抵抗性に関わるサリチル酸(SA)は、互いがトレードオフの関係にあるとされている。そのため、耐乾性と病害抵抗性の双方を向上させた画期的な作物育種は困難とされてきた。つまり、耐乾性と病害抵抗性を共に向上させた作物が開発できれば、振れ幅の大きい環境変動に対しても柔軟に適応でき、作物の生産性低下を抑えることができる。そこで、本研究では、ABA受容体を過剰発現したコムギがSAを多く蓄積する特性に着目し、その分子メカニズムを明らかにすることで、従来のABA-SAの拮抗関係を打破できる分子制御の開発に向けた基盤研究を行う。

Outline of Annual Research Achievements

植物ホルモンのアブシシン酸(ABA) 受容体を過剰発現させたコムギ(TaPYLox)は耐乾性を示す。ABAと病害抵抗性に関わるサリチル酸(SA)は互いがトレードオフの関係にあるとされていたが、TaPYLoxはサリチル酸(SA)を過剰蓄積して、うどんこ病菌に抵抗性を示す形質を獲得していた。この形質は導入したABA受容体によってABAシグナルが向上したことが要因ではなく、導入したTaPYL4タンパク質の蓄積量に依存して、内生SAが蓄積していた。
TaPYLoxのSA高蓄積の分子メカニズムを明らかにするために、SA生合成の鍵転写因子の遺伝子発現を解析した結果、SARD1転写因子の遺伝子発現がうどんこ病菌感染前から高く発現していた。SA生合成においては、TaPYLoxにて、イソコリスミ酸を経由する生合成鍵酵素遺伝子のICS2が強く発現しており、また、フェニルアラニンを前駆体とするSA生合成酵素遺伝子であるPAL1遺伝子の発現も上昇していた。興味深い事に、TaPYLoxはうどんこ病菌感染後には、SARD1転写因子の発現が減少し、それに伴って、ICS2やPAL遺伝子の発現が減少し、これと一致する形で内生SA量が減少した。このことからも、TaPYL4受容体タンパク質はSARD1転写因子を介して、SAの内生量を制御していることが明らかとなった。
一方、コムギABA受容体がどのようにSA生合成を制御しているかを明らかにするために、TaPYLoxで導入しているTaPYL4::GFPのGFPタグを用いてプルダウンを行い質量分析計で、TaPYL4と相互作用する因子の特定を行った。さらに、様々なコムギcDNAライブラリーを構築して、TaPYL4受容体と相互作用するタンパク質を同定することができた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

コムギABA受容体TaPYL4はSARD1転写因子の遺伝子発現を介して、ICS2酵素遺伝子およびPAL酵素遺伝子の発現を誘導していることが明らかとなった。ABA受容体とSARD1転写因子の間を埋める因子を特定したいと考え、本年度は、酵母ツーハイブリッド法(Y2H)により、TaPYL4と相互作用する因子の特定に成功した。昨年度のプルダウン後における質量分析計(IP-MS)で検出されたタンパク質とオーバラップするタンパク質も同定する事ができた。病害応答に関連する因子の単離のほか、予想外にも光合成や光化学系に関するタンパク質が同定できた。

Strategy for Future Research Activity

単離できたタンパク質がSAに応答するのか?あるいは病害応答性に関わるのかを解析する。ABA受容体TaPYL4とY2HやIP-MSで同定できたタンパク質を大腸菌にて発現させ、in vitroでの相互作用の検証を行う。大腸菌でのタンパク質発現が困難な場合は、タバコを用いた一過的な発現系により相互作用の有無を解析する。コムギのTaPYL4以外のABA受容体やシロイヌナズナのABA受容体との相互作用について選択性があるかどうかを生化学的な実験によって検証する。また、SARD1の転写因子の制御にどのように関わっているかを追及する。
興味深い事に、TaPYLoxはうどんこ病菌感染後には、SARD1転写因子の発現が減少し、それに伴って、ICS2やPAL遺伝子の発現が減少し、これと一致する形で内生SA量が減少した。TaPYLoxではPR1やPR4遺伝子はうどんこ病菌感染後にさらに遺伝子発現が上昇した。このことから、TaPYLoxにおけるうどんこ病菌に対する抵抗性はSA以外の他の因子も関わっている可能性が示唆されたため、SAと類似の作用を示すN-ヒドロキシピペコリン酸の生合成酵素遺伝子や内生NHP量の動態を解析し、TaPYL4受容体の関与を明らかにする。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (8 results) (of which Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Metabolic and transcriptomic profiling during wheat seed development under progressive drought conditions2023

    • Author(s)
      Mega Ryosuke、Kim June-Sik、Tanaka Hiroyuki、Ishii Takayoshi、Abe Fumitaka、Okamoto Masanori
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 15001-15001

    • DOI

      10.1038/s41598-023-42093-2

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] コムギうどんこ病菌感染過程における病害抵抗性遺伝子と生理活性分子の経時的変化の解析2024

    • Author(s)
      佐藤佑樹, Weng Yuanjie, 嶋崎太一, 二瓶賢一, 吉田 健太郎, 岡本昌憲
    • Organizer
      日本育種学会第145回講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] コムギにおけるアブシシン酸受容体を介した病害抵抗性に関する分子生理学的解析2024

    • Author(s)
      Weng Yuanjie,嶋﨑太一, 妻鹿良亮, 安倍史高, 金俊植, 吉田健太郎, 二瓶賢一, 岡本昌憲
    • Organizer
      日本育種学会第145回講演会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 乾燥と病気に強いコムギの開発2023

    • Author(s)
      岡本昌憲
    • Organizer
      植物科学シンポジウム
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] コムギにおけるアブシシン酸受容体を介した乾燥ストレス応答と病害応答の分子機構2023

    • Author(s)
      岡本昌憲
    • Organizer
      東京理科大学 生物環境イノベーション研究部門・公開シンポジウム
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] コムギうどんこ病菌感染における病害応答性遺伝子発現と植物ホルモンの経時的変化の解析2023

    • Author(s)
      6.Weng Yuanjie, 島崎太一, 佐藤佑樹, 二瓶賢一, 金俊植, 岡本昌憲
    • Organizer
      第58回植物化学調節学会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] コムギにおけるアブシシン酸受容体がもたらすうどんこ病菌抵抗性形質の分子生物学的解析2022

    • Author(s)
      嶋崎太一, 金俊植, 妻鹿良亮, 安倍史高, 宮本皓司, 二瓶賢一, 吉田健太郎, 岡本昌憲
    • Organizer
      日本植物学会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] コムギABA受容体によるサリチル酸およびN-ヒドロキシピペコリン酸生合成酵素遺伝子の発現制御2022

    • Author(s)
      嶋﨑太一,二瓶賢一,岡本昌憲
    • Organizer
      植物化学調節学会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] コムギのアブシシン酸受容体によるサリチル酸およびN-ヒドロキシピペコリン酸生合成酵素遺伝子の発現制御機構の解明2022

    • Author(s)
      嶋崎太一, 金俊植, 妻鹿良亮, 安倍史高, 二瓶賢一, 吉田健太郎, 岡本昌憲
    • Organizer
      ムギ類研究会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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