Herbivore elicitor recognition system in plants

• Project Area: Frontier research of chemical communications
• Project/Area Number: 20H04786
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tokyo University of Science
• Principal Investigator: 有村 源一郎 東京理科大学, 先進工学部生命システム工学科, 教授 (60505329)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2020: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: エリシター / ハスモンヨトウ / シロイヌナズナ / 共生微生物 / 害虫 / 受容体 / ナミハダニ

Outline of Research at the Start

ハスモンヨトウおよびナミハダニが分泌するエリシターの植物認識機構を理解することで、植物の潜在的な防御能力を高めるための学術基盤を構築することを目的とする。我々は、ハスモンヨトウの唾液由来糖性エリシターの応答に関わるダイズおよびシロイヌナズナタンパク質（HAK)）を同定しており、本研究ではシロイヌナズナのHAK1と相互作用するエリシター受容体の同定を試みる。さらに、ナミハダニのタンパク質性エリシター（テトラニン）の受容体とその共受容体を同定する。代表的な咀嚼性害虫と吸汁性害虫由来の異なるエリシターに対する特異的受容体の同定および分子機能を理解することで、植物の食害初期応答の分子システムを紐解く。

Outline of Annual Research Achievements

植物が害虫に被食されると防御応答が誘導される。食害された植物では、まず害虫が分泌する“エリシター”が認識され、それぞれの害虫に抵抗するための特異的かつ多彩な防御応答を引き起こされる。さらに、植物がエリシターを認識することで引き起こされる細胞内外の情報伝達および揮発性化合物などを介した植物と他生物とのコミュニケーションのメカニズムも解明されつつあり、これらのシステムを活用した有機農業技術の開発が期待されている。本研究ではこれらの分子機構の解明を目指し、本年度は以下の研究項目を実施した。
１）ハスモンヨトウの幼虫の吐き戻し液（OS）に含まれるオリゴ糖エリシターの認識に関わるダイズとシロイヌナズナのタンパク質“HAK”がこれまで同定されている。本年度は、唾液由来オリゴ糖エリシターの応答に関わるシロイヌナズナのHAKシステムにおいて、唾液内の高分子オリゴ糖エリシターは植物の糖分解酵素によって断片化される可能性が示唆された。
２）これまで、吸汁性害虫であるナミハダニの唾液腺で発現するタンパク質であるテトラニン（Tet1、Tet2）は、インゲンマメ葉の防御応答を誘導するエリシター活性を有することが明らかにされている。本研究ではさらに、約90種の体外分泌タンパク質から、ハダニ致死を誘発するTet3、Tet4を同定した。また、これらのTetタンパク質はハダニの寄主適応においても重要な役割を担うことが見出されつつある。
３）ハスモンヨトウの幼虫のOSに含まれる共生微生物の存在が、シロイヌナズナのジャスモン酸・サリチル酸・アブシシン酸の制御バランスに影響することで防御応答が調節されている現象および、さまざまな共生微生物の中で、自然界に普遍的に分布している表皮ブドウ球菌が、その効果を発現させている微生物の一つであることを明らかにした。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Turin(イタリア)
• [Int'l Joint Research] Assam Agricultural University(インド)
• [Int'l Joint Research] University of Washington(米国)
• [Int'l Joint Research] トリノ大学(イタリア)
• [Int'l Joint Research] アッサム農業大学(インド)
• [Journal Article] Sustained defense response via volatile signaling and its epigenetic transcriptional regulation (2022)
  • Author(s): Onosato, Haruki; Fujimoto, Genya; Higami, Tomota; Sakamoto, Takuya; Yamada, Ayaka; Suzuki, Takamasa; Ozawa, Rika; Matsunaga, Sachihiro; Seki, Motoaki; Ueda, Minoru; Sako, Kaori; Galis, Ivan; Arimura, Gen-ichiro
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: － Issue: 2 Pages: 922-933
  • DOI: 10.1093/plphys/kiac077
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Immune gene activation by NPR and TGA transcriptional regulators in the model monocot Brachypodium distachyon (2022)
  • Author(s): Shimizu K., Suzuki H., Uemura T., Nozawa A., Desaki Y., Hoshino R., Yoshida A., Abe H., Nishiyama M., Nishiyama C., Sawasaki T., Arimura G.
  • Journal Title: Plant Journal Volume: 10 Issue: 2 Pages: 470-481
  • DOI: 10.1111/tpj.15681
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An amino acid ester of menthol elicits defense responses in plants (2022)
  • Author(s): Tsuzuki C., Hachisu M., Iwabe R., Nakayama Y., Nonaga Y., Sukegawa S., Horito S., Arimura G.
  • Journal Title: Plant Molecular Biology Volume: - Issue: 4-5 Pages: 523-531
  • DOI: 10.1007/s11103-021-01150-y
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Phytohormone elicitation in maize by oral secretions of specialist <i>Mythimna separata</i> and generalist <i>Spodoptera litura</i> (2021)
  • Author(s): Morita Miki、Yamasaki Yukiyo、Shinya Tomonori、Galis Ivan、Arimura Gen-ichiro
  • Journal Title: Journal of Plant Interactions Volume: 16 Issue: 1 Pages: 587-590
  • DOI: 10.1080/17429145.2021.2006334
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phytohormone‐dependent plant defense signaling orchestrated by oral bacteria of the herbivore <i>Spodoptera litura</i> (2021)
  • Author(s): Yamasaki Yukiyo、Sumioka Hiroka、Takiguchi Mayu、Uemura Takuya、Kihara Yuka、Shinya Tomonori、Galis Ivan、Arimura Gen‐ichiro
  • Journal Title: New Phytologist Volume: 231 Issue: 5 Pages: 2029-2038
  • DOI: 10.1111/nph.17444
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Phytohormone-dependent plant defense signaling orchestrated by oral bacteria of the herbivore Spodoptera litura (2021)
  • Author(s): Yamasak Y., Sumioka H., Takiguchi M., Uemura T., Kihara Y., Galis I., Shinya T., Arimura G.
  • Journal Title: New Phytologist Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Making sense of the way plants sense herbivores (2021)
  • Author(s): Arimura G.
  • Journal Title: Trends in Plant Science Volume: 26 Issue: 3 Pages: 288-298
  • DOI: 10.1016/j.tplants.2020.11.001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mint companion plants enhance the attraction of the generalist predator Nesidiocoris tenuis according to its experiences of conspecific mint volatiles (2020)
  • Author(s): Rim Hojun、Hattori Sayaka、Arimura Gen-ichiro
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 2078-2078
  • DOI: 10.1038/s41598-020-58907-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Evidence that ERF transcriptional regulators serve as possible key molecules for natural variation in defense against herbivores in tall goldenrod (2020)
  • Author(s): Takafuji Kento、Rim Hojun、Kawauchi Kentaro、Mujiono Kadis、Shimokawa Saki、Ando Yoshino、Shiojiri Kaori、Galis Ivan、Arimura Gen-ichiro
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 5352-5352
  • DOI: 10.1038/s41598-020-62142-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Soy and Arabidopsis receptor-like kinases respond to polysaccharide signals from Spodoptera species and mediate herbivore resistance (2020)
  • Author(s): Uemura Takuya、Hachisu Masakazu、Desaki Yoshitake、Ito Ayaka、Hoshino Ryosuke、Sano Yuka、Nozawa Akira、Mujiono Kadis、Galis Ivan、Yoshida Ayako、Nemoto Keiichirou、Miura Shigetoshi、Nishiyama Makoto、Nishiyama Chiharu、Horito Shigeomi、Sawasaki Tatsuya、Arimura Gen-ichiro
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 3 Issue: 1 Pages: 224-224
  • DOI: 10.1038/s42003-020-0959-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 植物の害虫エリシター認識システムの解明と産業利用イノベーション (2020)
  • Author(s): 有村源一郎
  • Journal Title: バイオサイエンスとインダストリー Volume: 78 Pages: 490-491
• [Journal Article] 植物香気成分とテルペン誘導体の免疫活性化機能 (2020)
  • Author(s): 有村源一郎, 宮永正斗, 八須匡和
  • Journal Title: Bio Industry Volume: 37 Pages: 10-16
• [Presentation] 害虫の唾液因子によって調節される植物の防御応答システム (2022)
  • Author(s): 有村源一郎
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会 シンポジウム「寄生・共生・防御・感染を制御する化学シグナル」
  • Invited
• [Presentation] 安全な食と環境をめざした有機農業システムの開発に向けて (2021)
  • Author(s): 有村源一郎
  • Organizer: TUS Forum 2021
  • Invited
• [Presentation] シロイヌナズナにおけるPBL27-CRK2を介した虫害防御応答機構の解明 (2021)
  • Author(s): 森島実奈美, 佐野友香, 上村卓矢, 出崎能丈, 伊藤綾華, 根本圭一郎, Ivan Galis, 野澤彰, 澤崎達也, 有村源一郎
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 瀧口麻由, 上村卓矢, 住岡裕香, 山崎廉予, 木原侑香, 新屋友規, Ivan Galis, 有村源一郎 (2021)
  • Author(s): シロイヌナズナの虫害応答シグナル伝達系におけるハスモンヨトウ唾液内細菌の機能の解明
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] ナミハダニのタンパク質エリシター「テトラニン」の機能解析 (2021)
  • Author(s): 田中未来, 谷村香織, 若谷晃汰, 小澤理香, 北條優子, 新屋友規, Ivan Galis, 出崎能丈, 有村源一郎
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] オシメンによって誘導されるシロイヌナズナの防御応答に関するエピジェネティック転写制御 (2021)
  • Author(s): 小野里悠希, 藤本源哉, 樋上智大, 坂本卓也, 松永幸大, 関原明, 有村源一郎
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] イネ科モデル植物ミナトカモジグサにおけるNPR1とNPR2の機能解明 (2021)
  • Author(s): 鈴木ひとみ, 清水弘平, 上村卓, 野澤彰, 出崎能丈, 星野稜介, 吉田彩子, 安部洋, 西山真, 西山千春, 澤崎達也, 有村源一郎
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 揮発性テルペンに応答したシロイヌナズナの防御応答エピジェネティック制御機構 (2021)
  • Author(s): 小野里悠希, 藤本源哉, 樋上智大, 坂本卓也, 松永幸大, 関原明, 有村源一郎
  • Organizer: 第38回日本植物バイオテクノロジー学会大会
• [Presentation] 植物の害虫抵抗性機構 (2021)
  • Author(s): 有村源一郎
  • Organizer: 生物刺激制御研究会
  • Invited
• [Presentation] 害虫が分泌するエリシターの植物認識機構 (2021)
  • Author(s): 有村源一郎, 出崎能丈
  • Organizer: 化学コミュニケーションのフロンティア 第8回公開シンポジウム
• [Presentation] Macro- and micro-perspective of signal transduction for trade-off between plants and insects (2021)
  • Author(s): Arimura G.
  • Organizer: Tsukuba Conference 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ミントの香りの動植物における生理機能 (2020)
  • Author(s): 有村源一郎
  • Organizer: 第30回イソプレノイド研究会
• [Presentation] 揮発性テルペンに曝された香り受容植物のエピジェネティクスを介した防御応答機構の解明 (2020)
  • Author(s): 藤本源哉,小野里悠希,樋上智大,坂本卓也,松永幸大,関原明,有村源一郎
  • Organizer: 第30回イソプレノイド研究会
• [Presentation] Effect of amino acid esters of menthol on induced defense responses in plants (2020)
  • Author(s): Tsuzuki, C., Hachisu M., Nakayama Y, Nonaga Y, Sukegawa S., Horito S., Arimura G.
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Elucidation of epigenetic control mechanism of the defense response in cruciferous plants (2020)
  • Author(s): Fujimoto G., Sakamoto T., Matsunaga S., Seki M., Arimura G.
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Functional characterization of symbiotic bacteria existing in the saliva of Spodoptera litura on defense response of Arabidopsis (2020)
  • Author(s): Takiguchi M., Uemura T., Sumioka Y., Yamazaki Y., Shinya T., Ivan G., Arimura G.
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
• [Presentation] NPR-mediated immune system in the model monocot plant Brachypodium distachyon (2020)
  • Author(s): Suzuki H., Shimizu K., Uemura T., Nozawa A., Desaki Y., Hoshino R., Yoshida A., Abe H., Nishiyama M., Nishiyama C., Sawasaki T., Arimura G.
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Functional analysis of HAK-mediated signal transduction in Arabidopsis plants in response to herbivory (2020)
  • Author(s): Sano Y., Morishima M.,Uemura T., Ito A., Hoshino R., Desaki Y., Nozawa A., Sawasaki T., Galis I., Nemoto K., Arimura G.
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
• [Presentation] Characterization of Tetranychus urticae-derived elicitors (tetranins) : their molecular function and response system in host plants (2020)
  • Author(s): Tanimura K., Yasuno A., Tanaka M., Wakaya K., Takafuji K., Ida J., Abe H.,, Desaki Y., Arimura G.
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
• [Remarks] 東京理科大学有村研究室
  • URL: https://www.rs.tus.ac.jp/garimura/
• [Remarks] 東京理科大学 有村研究室
  • URL: https://www.rs.tus.ac.jp/garimura/index.html