Revealing molecular mechanisms that discriminate mutualistic and pathogenic lifestyles of plant-associated fungi

• Project Area: Evolutionary theory for constrained and directional diversities
• Project/Area Number: 18H04822
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Nara Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 晝間 敬 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (20714504)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000); Fiscal Year 2019: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000); Fiscal Year 2018: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
• Keywords: 微生物進化 / 共生菌 / 寄生菌 / シロイヌナズナ / Colletotrichum / 遺伝子発現揺らぎ / 植物感染糸状菌 / 共生 / 寄生 / 進化 / 揺らぎ / 糸状菌 / 病原菌 / リン欠乏

Outline of Annual Research Achievements

Colletotrihcum属のspaethianumクレードに属する糸状菌は、世界中の多様な植物種から単離されており、アブラナ科植物であるシロイヌナズナに対して共生から寄生と対照的な感染戦略を有することが申請者の昨年度の研究から判明している。これら多彩な感染戦略をとるColletotrihcum株の全ゲノム情報をPacbioおよびIlluminaシーケンスにより取得して、植物に感染中の時系列トランスクリプトーム解析を行った。その結果、共生型菌もしくは寄生型菌のみがそれぞれの感染ステージに特異的に発現誘導させる植物・菌それぞれの遺伝子群の絞り込みに成功した。さらに、その中で機能未知の菌の二次代謝物クラスターが寄生型菌による寄生性発揮に重要であることを見いだした。一方で、共生型菌の感染時にはその発現が認められなかった。興味深いことに、二次代謝物の遺伝子発現は寄生時の感染ステージに特異的に強く誘導されていたものの、菌個体での大きな揺らぎが認められた。一方で、そのアウトプットである植物に対する寄生性は安定的に認められたことから、遺伝子発現揺らぎが安定的な寄生性発揮に重要な役割を担っているという予想外の仮説が浮かび上がってきた。遺伝子発現揺らぎを生み出す制御基盤を理解していくことが今後重要となる。さらに、様々な植物変異体を活用することで、共生型C. tofieldiaeに特定の選択圧を人工的に与え続ける実験を行ったところ、共生能が有意に低下したC. tofieldiae株の同定に至った。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Dr. Soledad Sacristan/CBGP(スペイン)
• [Journal Article] SUPPRESSOR OF GAMMA RESPONSE 1 acts as a regulator coordinating crosstalk between DNA damage response and immune response in Arabidopsis thaliana (2020)
  • Author(s): Yoshiyama Kaoru Okamoto、Aoshima Naoki、Takahashi Naoki、Sakamoto Tomoaki、Hiruma Kei、Saijo Yusuke、Hidema Jun、Umeda Masaaki、Kimura Seisuke
  • Journal Title: Plant Molecular Biology Volume: 103 Issue: 3 Pages: 321-340
  • DOI: 10.1007/s11103-020-00994-0
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Roles of Plant-Derived Secondary Metabolites during Interactions with Pathogenic and Beneficial Microbes under Conditions of Environmental Stress (2019)
  • Author(s): Kei Hiruma
  • Journal Title: Microorganisms Volume: 7 Issue: 9 Pages: 362-362
  • DOI: 10.3390/microorganisms7090362
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Beneficial associations between Brassicaceae plants and fungal endophytes under nutrient-limiting conditions: evolutionary origins and host-symbiont molecular mechanisms (2018)
  • Author(s): Hiruma Kei , Kobae Yoshihiro and Toju Hirokazu
  • Journal Title: Current Opinion in Plant Biology Volume: 44 Pages: 145-154
  • DOI: 10.1016/j.pbi.2018.04.009
  • Peer Reviewed
• [Presentation] A comparative analysis between closely-related plant mutualistic and parasitic fungi (2019)
  • Author(s): Kei Hiruma
  • Organizer: 23rd Evolutionary Biology Meeting 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Intra-species variations in root fungus Colletotrichum tofieldiae cause transitions between beneficial and parasitic lifestyles. (2019)
  • Author(s): Kei Hiruma, Akemi Uchiyama, Ryohei Sugita, Toyozo Sato, Keitaro Tanoi, Yusuke Saijo
  • Organizer: 2019 IS-MPMI XVIII Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 植物生長を促す内生糸状菌の種内変異が宿主植物の生長に与える影響の調査 (2019)
  • Author(s): 晝間敬，井上拓磨，安田盛貴，西條雄介
  • Organizer: 第６０回植物生理学会
• [Presentation] Transition between pathogenic and mutualistic lifestyles of Colletotrichum fungi associated with plant roots (2018)
  • Author(s): Kei Hiruma
  • Organizer: Sino-German Symposium: Microbiomics and Plant Health
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 植物と共生微生物の相互作用機作の解明にむけて
  • URL: https://www.kri.or.jp/news-event/img/20190129_report_03.pdf