Elucidation of flower color determinant gene-mediated disease resistance in plants

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K14850
• Research Institution: Iwate Biotechnology Research Center
• Principal Investigator: Dominguez John・Jewish 公益財団法人岩手生物工学研究センター, 園芸資源研究部, 研究員 (60881555)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 花色 / 耐病性 / リンドウ / 糸状菌病 / 微生物叢 / VOC

Outline of Annual Research Achievements

これまでF3′ 5′ Hの機能を欠損させると花色が青からピンクに代わると共に、複数の病原糸状菌に対して弱くなることがわかっている。RNA-seqの結果により、F3′ 5′ H欠損株は細胞壁合成・修飾関連遺伝子の発現が低くなり、実際、細胞壁の物理的特性はF3′ 5′ H欠損株の葉は野生型に比べて柔らかかった。また、野生型に比べてF3′ 5′ H欠損株は菌の侵入を防ぐカロースの沈着率が低く、菌の侵入を妨げる防御機構は阻害されていることが示唆された。これらの結果から、F3′ 5′ Hは花弁での色素合成におけるこれまでの機能とは別に、葉の耐病性に関わる新規機能が存在することを示唆された。
さらに、F3′ 5′ HとGFPとの融合タンパク質をリンドウのプロトプラストおよびベンサミアナタバコの葉において、一過的に発現させた所、F3′ 5′ Hの細胞質及び葉緑体への局在が観察された。現在、リンドウ及びF3′ 5′ H遺伝子を持たないシロイナズナでのF3’5’H過剰発現体を作成中であり、その耐病性への寄与および相互作用因子の同定を試みる予定である。平行して、F3′ 5′ Hを機能欠損した代謝産物の変化と耐病性の関係性を調べるために、メタボローム解析を行っている。
加えて、本研究ではF3′ 5′ Hに伴う葉の微生物叢の変化についても、形質の１つとして着目し、解析を進めている。今の所、F3′ 5′ H機能特異的な微生物叢の変動は認められたいないが、本研究を通して、独自に単離したCurtobacterium属菌をはじめとするいくつかの細菌から、リンドウの糸状菌病害制御活性を持つものを同定しており、現在、微生物由来抗真菌活性および植物免疫誘導活性を持つ揮発性有機化合物 (VOCs)の同定をGC-MSで行い、活性物質の選抜に取り組むなど、リンドウの病害制御に向けた新たな展開の可能性も示されている。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

現在、本研究は大きく2つの課題で進めている。一つは、花色決定因子であるF3′ 5′ Hの耐病性への作用機序を明らかにすることであり、もう一つは、リンドウ共存細菌による糸状菌病制御機構を解析することである。
F3′ 5′ Hの耐病性への作用機序に関しては、これまでF3′ 5′ Hの機能欠損で葉の物理特性および初期感染の防御応答への変化が認められたが、F3′ 5′ Hの機能はこれらの形質にどう寄与しているのかについてさらに調べる必要がある。そのため、タンパク質の解析を始めた。F3′ 5′ H-GFPの一過的発現により、リンドウおよびベンサミアナタバコでの細胞内局在がわかってきた。リンドウで相互作用因子の同定の試みを目的で、F3′ 5′ H-FLAGの過剰発現体を作成し、選抜まで進んでいる。また、F3′ 5′ Hは他植物への影響を調べるために、F3′ 5′ Hを持っていないシロイナズナの過剰発現体も作成中である。
Curtobacterium 属菌を始めとするいくつかのリンドウ病害制御細菌の同定に成功したが、解析の結果、これらがF3′ 5′ H 機能欠損の形質を説明可能な証拠は現在のところ得られていない。並行して、糸状菌病を制御する有用な揮発性有機化合物（VOCs）のスクリーニング系を確立し、Curtobacterium 属菌およびLuteibacter 属菌の細菌が抗真菌活性および植物免疫誘導活性のあるVOCsを出していることを明らかにした。これらのVOCsの成分分析を行い、活性物質の候補候補を得て、選抜に取り組んでいる。

Strategy for Future Research Activity

上記で述べた研究実績と研究状況を踏まえ、残りの研究期間を利用し、以下の推進方策を実施する 。
F3′ 5′ Hの作用機序に関しては、相互作用因子の同定などタンパク質レベルの解析を進めていく。平行して、これまで得られたF3′ 5′ H遺伝子の耐病性関連機能の特徴づけについて早期の論文化を目指す。
微生物叢の研究に関しては、リンドウ野外環境下における共在微生物の中から、新規病害制御微生物を単離するとともに、Curtobacterium 属菌などの既存最近から病害制御活性を持つVOCsの同定を進める。さらにそれら各微生物および微生物由来化合物の病害制御活性強度、作用機序、応用性、自然界での生物学的意義等の特徴づけを行い、論文にまとめる予定である。

Causes of Carryover

物品費の大半は所内の研究予算で対応できました。また、論文投稿の準備に集中したいため、学会に参加せず旅費は使いませんでした。次年度、物品費はタンパク質の解析に必要な材料の購入やNGS解析で使用する予定です。また、令和5年の後半に論文投稿代と学会発表の旅費および参加費に大きく利用する見込みです。