Molecular elucidation of plant-pathogen interactions

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H06172
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 白須 賢 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, グループディレクター (20425630)
• Project Period (FY): 2017-05-31 – 2022-03-31
• Keywords: 分子間相互作用 / 生物間相互作用

Outline of Annual Research Achievements

シロイヌナズナを用いたスクリーニング系を用いて、キノンおよび過酸化水素を認識してカルシウム濃度を上昇させるシグナルに必須である膜タンパク質をコードする遺伝子を同定した。変異体においてキノンおよび過酸化水素の添加時にトランスクリプトーム解析をおこなったところ、野生株に対して植物免疫関連の遺伝子群の発現が特異的に減少していた。さらに変異体に植物病原菌であるトマト斑様細菌を接種したところ、免疫レベルが減少していたことから、本遺伝子が免疫に重要な新規因子であることが明らかになった。また、細菌由来の病原性エフェクターを、これを認識できるセンサータンパク質をもつ植物内で発現させ、リン酸化プロテオーム解析をおこなってセンサー下流のシグナル伝達系におけるタンパク質群の各リン酸化部位を同定した。この中には細菌の鞭毛を与えたときにリン酸化される部位が共通していた。このことは病原性エフェクター侵入によって活性化されるシグナル伝達系と鞭毛等の分子パターンを認識して活性化するシグナル伝達系がエフェクターを認識して活性化される伝達系と一部重複していることを示唆している。さらに病原体の多様性から病原体因子を同定するため、各種病原体のゲノム・トランスクリプトームをおこない、病原体解析の分子解析基盤確立を推進した。特にPacBio Sequelシステムを用いたデノボゲノム解析をおこなう技術を確立できたことにより、数多くの日本産病原菌の染色体レベルでのゲノムアセンブリーを完成できている。染色体レベルでのゲノムアセンブリーにより、全染色体レベルでの比較ゲノム解析が可能となり、例えば、染色体の欠損や置換などの詳細解析が可能となった。真菌の病原菌はミニ染色体に病原性遺伝子を座乗させていることが報告されているが、ゲノムシークエンスにより炭疽病原菌とフザリウム菌のミニ染色体が同定できた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

PTIを制御する因子として同定されたタンパク質群に関して、変異体や過剰発現体を用いた実験をおこない、PTIシグナル伝達系の何処で制御がおこなわれているかを確認できた。また抗体やタグを利用してPAMP受容体のタンパク質量を同定できている。病原体ゲノムシークエンスを継続しておこない、病原性エフェクター候補の同定ができており、感染時に発現が上昇する、あるいは、変異が入りやすい等有望なエフェクター候補に関しては、マーカーリサイクル技術を用いてノックアウトを作成して、病原性の有無を確認できた。さらに、CRSPR/CASシステム等を導入して、マーカーリサイクル技術の効率を引き上げることが可能となった。以上のことから、植物側、病原菌側の両実験系が確立できたことと判断できる。よって、研究は順調に進展していると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

植物免疫を制御する因子として同定されたタンパク質群に関して、変異体や過剰発現体を用いて、PTIシグナル伝達系の何処で制御がおこなわれているかを引き続き解析する。また、それら因子のホモログのノックアウトをCRSPR/CAS等のシステムを用いて作成し、その表現型を明らかにすることで、その因子のファミリーの機能を明らかにしていく。病原体側の研究に関しては、ゲノムシークエンスを継続しておこない、病原性エフェクター候補の同定を継続しておこなう。ノックアウトの表現型を詳細に解析する。また病原性エフェクターの植物内での機能を明らかにしていく。植物に認識されるエフェクターに関しては変異体等を作成して、その認識機構を明らかにする。

Research Products

• [Int'l Joint Research] マックスプランク研究所(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: マックスプランク研究所
• [Int'l Joint Research] セインズベリー研究所(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: セインズベリー研究所
• [Int'l Joint Research] カルフォルニア大学デービス校/ミシガン大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: カルフォルニア大学デービス校/ミシガン大学
• [Journal Article] Exogenous Treatment with Glutamate Induces Immune Responses in Arabidopsis (2019)
  • Author(s): Goto, Y., Maki, N., Ichihashi, Y., Kitazawa, D., Igarashi, D., Kadota, Y., and Shirasu, K.
  • Journal Title: MPMI. Volume: 33 Pages: 474-487
  • DOI: https://doi.org/10.1094/MPMI-09-19-0262-R
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Auxin transport network underlies xylem bridge formation between the hemi-parasitic plant Phtheirospermum japonicum and host Arabidopsis (2019)
  • Author(s): Wakatake, T., Yoshida, S. and Shirasu, K.
  • Journal Title: BioRxiv. Volume: ー Pages: ー
  • DOI: https://doi.org/10.1101/2019.12.26.889097
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Subtilase activity in the intrusive cells mediates haustorium maturation in parasitic plants (2019)
  • Author(s): Ogawa, S., Wakatake, T., Spallek, T., Ishida, J, K., Sano, R., Kurata, T., Demura, T., Yoshida, S., Ichihashi, Y., Schaller, A., Shirasu, K.
  • Journal Title: BioRxiv. Volume: ー Pages: ー
  • DOI: https://doi.org/10.1101/2020.03.30.015149
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Host-parasite tissue adhesion by a secreted type of β-1,4-glucanase in the parasitic plant Phtheirospermum japonicum (2019)
  • Author(s): Kurotani, K.-I., Wakatake, T., Ichihashi, Y., Okayasu, K., Sawai, Y., Ogawa, S., Suzuki, T., Shirasu, K., Notaguch, M.
  • Journal Title: BioRxiv. Volume: ー Pages: ー
  • DOI: https://doi.org/10.1101/2020.03.29.014886
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Genome Sequence of Striga asiatica Provides Insight into the Evolution of Plant Parasitism (2019)
  • Author(s): Yoshida, S. et al.
  • Journal Title: Curr. Biol. Volume: 29 Pages: 3041-3052.E4.
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.cub.2019.07.086
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Genomic plasticity mediated by transposable elements in the plant pathogenic fungus Colletotrichum higginsianum (2019)
  • Author(s): Tsushima, A., Gan, P., Kumakura, N., Narusaka, M., Takano, Y., Narusaka, Y., Shirasu, K.
  • Journal Title: Genome Biology and Evolution Volume: 11 Pages: 1487-1500
  • DOI: https://doi.org/10.1093/gbe/evz087
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Colletotrichum shisoi sp. nov., an anthracnose pathogen of Perilla frutescens in Japan: molecular phylogenetic, morphological and genomic evidence (2019)
  • Author(s): Gan P., Tsushima A., Hiroyama R., Narusaka M., Takano, Y., Narusaka Y., Kawaradani M., Damm U. and Shirasu K.
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 9 Pages: 13349
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-019-50076-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The structural integrity of lignin is crucial for resistance against Striga hermonthica parasitism in rice. (2019)
  • Author(s): Mutuku, J. M., Cui, S., Hori, C., Takeda, Y., Tobimatsu, Y., Nakabayashi, R., Mori, T., Saito, K., Demura, T., Umezawa, T., Yoshida, Y., Shirasu, K.
  • Journal Title: Plant Physiol. Volume: 179 Pages: 1796-1809
  • DOI: https://doi.org/10.1104/pp.18.01133
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Genome sequence resources for four phytopathogenic fungi from the Colletotrichum orbiculare species complex (2019)
  • Author(s): Gan, P., Tsushima, A., Narusaka, M., Narusaka, Y., Takano, Y., Kubo, Y., Shirasu, K.
  • Journal Title: MPMI. Volume: 32 Pages: 1088-1090
  • DOI: https://doi.org/10.1094/MPMI-12-18-0352-A
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Plant Immune Responses to Parasitic Nematodes (2019)
  • Author(s): Sato, K., Kadota, Y., Shirasu, K.
  • Journal Title: Front Plant Sci. Volume: 10 Pages: 1165
  • DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2019.01165
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Plant Immune Responses to Parasitic Nematodes (2019)
  • Author(s): Tsushima, A., Gan, P., Shirasu, K.
  • Journal Title: Bio-protocol. Volume: 9 Pages: e34
  • DOI: https://doi: 10.21769/BioProtoc.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-Quality Draft Genome Sequence of Fusarium oxysporum f. sp. cubense Strain 160527, a Causal Agent of Panama Disease (2019)
  • Author(s): Asai, S., Ayukawa, Y., Gan, P., Masuda, S., Komatsu, K., Shirasu, K., Arie, T.
  • Journal Title: Microbiol Resource Announcement Volume: 8 Pages: e00654-19
  • DOI: https://doi: 10.1128/MRA.00654-19
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] CRABS CLAW and SUPERMAN Coordinate Hormone-, Stress-, and Metabolic-Related Gene Expression During Arabidopsis Stamen Development (2019)
  • Author(s): Lee, H. Z., Tatsumi, Y. Ichihashi, Y., Suzuki, T., Shibata, A., Shirasu, K., Yamaguchi, N., Ito, T.
  • Journal Title: Front Ecol Evol. Volume: 7 Pages: 437
  • DOI: https://doi.org/10.3389/fevo.2019.00437
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Abscisic acid‐dependent histone demethylation during postgermination growth arrest in Arabidopsis (2019)
  • Author(s): Wu, J., Ichihashi, Y., Suzuki, T., Shibata, A., Shirasu, K., Yamaguchi, N., Ito, T.
  • Journal Title: Plant Cell Environ Volume: 42 Pages: 2198-2214
  • DOI: https://doi.org/10.1111/pce.13547
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] How do parasitic plants perceive host plants? (2019)
  • Author(s): Ken Shirasu
  • Organizer: IS-MPMI XVⅢ Congress
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Identifcation and characterization of small-molecular compounds that inhibit salicylic acid-mediated signaling pathway in Arabidopsis (2019)
  • Author(s): Nobuaki Ishihama, Yoshiteru Noutoshi, Seung-won Choi, Ivana Saska, Shuta Asai, Kaori Takizawa, Yasumitsu Kondoh, Yuko Nomura, Hirofumi Nakagami, Hiroyuki Osada, Ken Shirasu
  • Organizer: IS-MPMI XVII Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Exogenous treatment with glutamate induces the immune responses in Arabidopsis” (2019)
  • Author(s): Yukihisa Goto, Noriko Maki, Yasunori Ichihashi, Daisuke Kitazawa, Daisuke Igarashi, Yasuhiro Kadota, Ken Shirasu
  • Organizer: IS-MPMI XVII Congress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Plants perceive quinones via a receptor-like kinase (2019)
  • Author(s): Anuphon Laohavisit, Takanori Wakatake, Nobuaki Ishihama, Hugh Mulvey, Kaori Takizawa, Takamasa Suzuki, Ken Shirasu
  • Organizer: 18th International Workshop on Plant Membrane Biology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Leucine-rich repeat receptor-like kinases mediate quinone perception in plants (2019)
  • Author(s): Anuphon Laohavisit, Takanori Wakatake, Nobuaki Ishihama, Hugh Mulvey, Kaori Takizawa, Takamasa Suzuki, Ken Shirasu
  • Organizer: 第61 回日本植物生理学会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] シロイヌナズナのサリチル酸応答を抑制する低分子阻害剤の作用機作解析 (2019)
  • Author(s): 石濱信明,崔 勝媛, 能年義輝, Ivana Saska, 瀧澤香, 浅井秀太, 長田裕之, 白須 賢
  • Organizer: 令和2 年度日本植物病理学会大会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 新規PRR複合体構成因子REAL1を介したPAMP情報伝達系の抑制機構 (2019)
  • Author(s): 後藤幸久, 門田康弘, 松井英譲, Jan Sklenar, Paul Derbyshire, Frank Menke, 中神弘史, Darrell Desveaux, Cyril Zipfe , 白須 賢
  • Organizer: 令和2 年度日本植物病理学会大会
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 研究室運営Website
  • URL: http://plantimmunity.riken.jp/index.html