植物細胞壁を介する病原体認識・応答のダイナミズム

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K05645
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 豊田 和弘 岡山大学, 環境生命科学研究科, 教授 (50294442)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 活性酸素種（ROS） / 細胞壁ペルオキシダーゼ / 細胞膜 NADPH オキシダーゼ / シロイヌナズナ / PRX34

Outline of Annual Research Achievements

活性酸素種（ROS）の主要な産生酵素として、細胞壁ペルオキシダーゼや細胞膜 NADPH オキシダーゼがよく知られているが，MAMP 誘導性の ROS バーストにおけるそれらの貢献度や相互作用などについては依然不明の部分が少なくない。今年度は，シロイヌナズナの細胞壁ペルオキシダーゼ PRX34 について，挿入位置が異なる 3 種の T-DNA 挿入系統からヌル変異体 prx34-3 を選抜し、細菌由来の flg22、elf18、ペプチドグリカンならびにリポ多糖、病原糸状菌由来のキチンやキトサンで誘導される ROS バーストについて調べた。その結果、初発の ROS 生成は野生型植物と比べて 60～80% 低下し、残存する発光は DPI 感受性であった。同様の結果は、傷害関連分子パターン Pep1 の処理でも認められたことから、MAMP/DAMP 誘導性の ROS バーストにおいて細胞壁ペルオキシダーゼも NADPH オキシダーゼと同様にパターン認識受容体（PRR）の制御下にあり、両酵素が同調して ROS バーストが誘導されていることが明らかとなった。一方で、エンドウ褐紋病菌を不適応型病原菌としてシロイヌナズナの基礎的抵抗性について研究する中で、本菌の柄胞子発芽液中に ROS の生成を誘導する強いエリシター活性を見出した（以下、本画分を MpGFE と称す）。MpGFE で処理した植物体には ROS バースト以外にもカロース生成が顕著に誘導され、適応型病原菌に対する抵抗性が誘導された。興味深いことに，MpGFE 誘導性の ROS バーストやカロース生成は、キチンオリゴ糖に対するパターン認識受容体 CERK1 や ROS 産生酵素 RBOHD の欠損変異体でも認められた。以上から、MpGFE 誘導性のシロイヌナズナの免疫にキチン以外のエリシターの関与を示すとともに、CERK1 や RBOHD を介さない未知の認識・シグナル伝達機構の存在が明らかとなった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

植物感染生理学研究の分野では 2000 年以降、細胞膜に存在する受容体（PRR）や下流因子の同定に関心が寄せられてきた。このような状況の中、申請者らは植物細胞壁に存在するエクト型 ATPase や細胞外ペルオキシダーゼが病原体に対する異物認識や応答に深く関連し、植物細胞壁が「異物認識と応答を行う最前線の防人器官」として提唱してきた。本研究課題では、シロイヌナズナの細胞壁ペルオキシダーゼの１つである PRX34 に注目し、そのヌル変異体の選抜と同変異体の病原体に対する応答について詳細に解析を進め、PRX34 が細胞膜の NADPH オキシダーゼと同様に複数のパターン認識受容体（PRR）の制御下にあり、両酵素が同調して ROS バーストが誘導されていることを突き止めた。一方で、細胞表層から開始される免疫応答の研究の中で、既知の PRR を介さない（必要としない）新たなカビの認識機構の存在についても明らかになりつつある。次年度は、細胞膜 PRR からによる PRX34 の活性調節を含め、細胞表層で開始される異物認識と応答機構の全容の解明に向けて、生理・生化学および遺伝学的解析を進めていく予定にしている。

Strategy for Future Research Activity

異物認識と応答における植物細胞壁の関与については、これが含む巨大複合体構成の存在によってすでに示唆されている。構成因子の１つであるペルオキシダーゼについては、細胞壁からの可溶化後もエリシターやサプレッサーに対する応答性を保持しており、さらに同複合体に含まれる ATPase によって一義的に調節される。二次元 Blue-Native PAGE 後の質量分析によって推定された構成因子のうち鍵となる分子についてはヌル変異体の選抜と表現型解析について引き続き進め、状況に応じて既知のシグナル変異体を利用して他の情報伝達系とのクロストークについて解析する。

Research Products

• [Journal Article] Antagonism between SA- and JA- signaling conditioned by saccharin in Arabidopsis renders resistance to a specific pathogen (2020)
  • Author(s): Phuong, L.T., Fitrianti, A.N., Luan, M.T., Matsui, H., Noutoshi, Y., Yamamoto, M., Ichinose, Y., Shiraishi, T. and Toyoda, K.
  • Journal Title: J. Gen. Plant Pathol. Volume: 86(2) Pages: 86-99
  • DOI: 10.1007/s10327-019-00899-x
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Endogenous suppressor(s) in Arabidopsis thaliana (2020)
  • Author(s): Mai, T.L., Kawasaki, T., Fitrianti, A.N., Phuong, L.T., Shiokawa, T., Tada, H., Matsui, H., Noutoshi, Y., Yamamoto, M., Ichinose, Y., Shiraishi, T. and Toyoda, K.
  • Journal Title: J. Gen. Plant Pathol. Volume: 86(2) Pages: 100-106
  • DOI: 10.1007/s10327-019-00897-z
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The plant activator saccharin induces resistance to wheat powdery mildew through activation of multiple defense-related genes (2020)
  • Author(s): Phuong, L.T., Zhao, L., Fitrianti, A.N., Matsui, H., Noutoshi, Y., Yamamoto, M., Ichinose, Y., Shiraishi, T. and Toyoda, K.
  • Journal Title: J. Gen. Plant Pathol. Volume: 86(2) Pages: 107-113
  • DOI: 10.1007/s10327-019-00900-7
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A class III peroxidase PRX34 is a component of disease resistance in Arabidopsis (2019)
  • Author(s): 1)Zhao, L., Phuong, L.T., Luan, M.T., Fitrianti, A.N., Matsui, H., Nakagami, H., Noutoshi, Y., Yamamoto, M., Ichinose, Y., Shiraishi, T. and Toyoda, K.
  • Journal Title: Journal of General Plant Pathology Volume: 85 Pages: 405-412
  • DOI: 10.1007/s10327-019-00863-9
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Endogenous suppressor(s) in Arabidopsis thaliana (2019)
  • Author(s): 1)Mai Thanh Luan, Tatsuhiro Kawasaki, Aprilia Nur Fitrianti, Hidenori Matsui, Yoshiteru Noutoshi, Mikihiro Yamamoto, Yuki Ichinose, Tomonori Shiraishi and Kazuhiro Toyoda
  • Organizer: Vietnam-Japan Science and Technology 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study on the mode of action of CEP peptide in Arabidopsis (2019)
  • Author(s): 2)Aprilia Nur Fitrianti, Mai Thanh Luan, Le Thi Phuong, Lei Zhao, Hiyori Monden, Norika Shiiba, Tsugumi Shiokawa, Hiroko Tada, Hidenori Matsui, Yoshiteru Noutoshi, Mikihiro Yamamoto, Yuki Ichinose, Tomonori Shiraishi and Kazuhiro Toyoda
  • Organizer: Kansai-area Meeting of the Phytopathological Society of Japan
• [Presentation] The mode of action of saccharin as a plant activator of disease resistance (2019)
  • Author(s): 3)Le Thi Phuong, Mai Thanh Luan, Aprilia Nur Fitrianti, Hidenori Matsui, Yoshiteru Noutoshi, Mikihiro Yamamoto, Yuki Ichinose, Tomonori Shiraishi, and Kazuhiro Toyoda
  • Organizer: Kansai-area Meeting of the Phytopathological Society of Japan
• [Presentation] メトミノストロビンの作用機構に関する研究Ⅱ．コムギにおけるうどんこ病抵抗性のプライミング (2019)
  • Author(s): 4)佐藤穂高・Le Thi Phuong・市成光広・櫻本和生・山田 晶・松井英譲・能年義輝・山本幹博・一瀬勇規・白石友紀・豊田和弘
  • Organizer: 令和元年度日本植物病理学会関西部会
• [Presentation] シロイヌナズナの分泌型ペルオキシダーゼ PRX34 は MAMP 誘導性オキシダティブバーストに関与する (2019)
  • Author(s): 5)高須瑞穂・木元菜々子・Zhao Lei・Le Thi Phuong・松井英譲・能年義輝・山本幹博・一瀬勇規・白石友紀・豊田和弘
  • Organizer: 令和元年度日本植物病理学会関西部会
• [Presentation] シロイヌナズナにおける既知の受容体を必要としない病原糸状菌の認識 (2019)
  • Author(s): 6)矢野裕奈・アプリリア ヌ フィランティ・松井英譲・能年義輝・山本幹博・一瀬勇規・白石友紀・豊田和弘
  • Organizer: 令和２年度日本植物病理学会大会
• [Presentation] シロイヌナズナにおけるオキシダティブバースト反応の前提条件：細胞内/細胞外レドックス制御における NADPH オキシダーゼ RBOHD の役割 (2019)
  • Author(s): 7)高須瑞穂・木元菜々子・松井英譲・能年義輝・山本幹博・一瀬勇規・白石友紀・豊田和弘
  • Organizer: 令和２年度日本植物病理学会大会
• [Presentation] シロイヌナズナの MAMP 誘導性オキシダティブバースト反応に対する細胞壁ペルオキシダーゼと NADPH オキシダーゼの寄与 (2019)
  • Author(s): 8)木元菜々子・高須瑞穂・アプリリア ヌ フィランティ・ザオ レイ・松井英譲・能年義輝・山本幹博・一瀬勇規・白石友紀・豊田和弘
  • Organizer: 令和２年度日本植物病理学会大会