植物のモミラクトン生合成遺伝子クラスター制御におけるシス・トランス因子の進化動態

• 研究課題/領域番号: 20H02922
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分38040:生物有機化学関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 岡田 憲典 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 准教授 (20312241)
• 研究分担者: 澤崎 達也 愛媛大学, プロテオサイエンスセンター, 教授 (50314969) ; 宮本 皓司 帝京大学, 理工学部, 講師 (90721514)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円); 2023年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2022年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2021年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2020年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
• キーワード: 転写因子 / イネファイトアレキシン / 遺伝子クラスター / モミラクトン / 生合成遺伝子遺伝子クラスター / アレロパシー / エピジェネティック制御 / ケミカルディフェンス / イネ / 生合成遺伝子クラスター / 転写制御 / 二次代謝産物 / シス因子 / トランス因子

研究開始時の研究の概要

イネが生産する抗菌性物質モミラクトンの生合成遺伝子群は、ゲノム上で遺伝子クラスターを形成し、様々なストレスに応答して協調的に発現誘導を示す。最近、下等植物の蘚類ハイゴケでもモミラクトン生合成遺伝子がクラスターを構成することがわかった。本研究では、モミラクトン生産植物がどのように生合成遺伝子クラスターを構成し、その制御機構を発達させ利用してきたのかについて、進化過程に着目しつつその答えを探る。

研究実績の概要

最終年度のR5年度は、3つの項目のうち、特に１）、２）の成果を得た。
1）Oryza属クラスター領域内のピマラジエン合成酵素遺伝子OsKSL4の上流保存領域に存在する制御配 列(シス因子)のゲノム編集株を用いた解析、においては、OsKSL4プロモーター領域のゲノム編集株の花芽、葉身、根におけるジテルペンファイトアレキシン（DP）の蓄積と生合成遺伝子の発現プロファイリングの解析を行った。その結果、OsKSL4上流のN-boxを含む約１kbの領域を欠損したイネ変異体では、モミラクトンおよびファイトカサンの蓄積量が、葉身、根で顕著に低下し、OsKSL4遺伝子の発現量についても塩化銅ストレスを与えた葉身において、誘導性が低くなっていた。一方、花芽においては、モミラクトンについては、その他の組織と同様な影響が見られたが、ファイトカサンについては、変化が認められなかった。従って、DP生産誘導の制御において、OsKSL4上流に位置するN-boxを含む領域は、その配列に結合するDPFと共にcis-trans制御システムとして重要な役割を持つことが明らかになった。本成果は、現在論文投稿中であり、既にBioRxivで公開している。
2）Oryza属に保存される関連転写因子の機能解析では、Oryza属野生イネにも広く保存されているMYC2の下流で働くMYL1転写因子の過剰発現体の解析から、DP制御において、抑制因子として機能することを示した。プロトプラストを用いたレポーターアッセイにおいて、活性化因子DPFとMYL1を共存させると、DP生合成遺伝子の発現誘導を転写レベルで抑制していることを明らかにした。MYL1のゲノム編集株も作出し、現在系統の整備を進めており、それらの解析を今後も継続する。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] ミュンヘン大学/カールスルーヘ工科大学(ドイツ)
• [国際共同研究] ミュンヘン大学(ドイツ)
• [国際共同研究] 浙江大学(中国)
• [国際共同研究] 浙江大学(中国)
• [雑誌論文] Characterization of diterpene synthase genes in Brachypodium distachyon, a monocotyledonous model plant, provides evolutionary insight into their multiple homologs in cereals. (2023)
  • 著者名/発表者名: Shimada T, Minato S, Hasegawa Y, Miyamoto K, Minato Y, Shenton MR, Okada K, Kawaide H, Toyomasu T.
  • 雑誌名: Biosci Biotechnol Biochem. 巻: 88 号: 1 ページ: 8-15
  • DOI: 10.1093/bbb/zbad146
  • 査読あり
• [雑誌論文] Difference in the ligand affinity among redundant plant hormone receptors of rice OsCOI1a/1b/2-OsJAZs (2023)
  • 著者名/発表者名: Okumura Taichi、Kitajima Tsumugi、Kaji Takuya、Urano Haruyuki、Matsumoto Kotaro、Inagaki Hideo、Miyamoto Koji、Okada Kazunori、Ueda Minoru
  • 雑誌名: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry 巻: 87 号: 10 ページ: 1122-1128
  • DOI: 10.1093/bbb/zbad092
  • 査読あり
• [雑誌論文] Secreted Glycosyltransferase RsIA_GT of Rhizoctonia solani AG-1 IA Inhibits Defense Responses in Nicotiana benthamiana. (2022)
  • 著者名/発表者名: Zhang D, Wang Z, Yamamoto N, Wang M, Yi X, Li P, Lin R, Nasimi Z, Okada K, Mochida K, Noutoshi Y, Zheng A.
  • 雑誌名: Pathogens 巻: 11(9) 号: 9 ページ: 1026-1026
  • DOI: 10.3390/pathogens11091026
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Transcriptional response of a target plant to benzoxazinoid and diterpene allelochemicals highlights commonalities in detoxification. (2022)
  • 著者名/発表者名: Knoch E, Kovacs J, Deiber S, Tomita K, Shanmuganathan R, Serra Serra N, Okada K, Becker C, Schandry N.
  • 雑誌名: BMC Plant Biol 巻: A22(1) 号: 1 ページ: 402-402
  • DOI: 10.1186/s12870-022-03780-w
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Lateral transfers lead to the birth of momilactone biosynthetic gene clusters in grass. (2022)
  • 著者名/発表者名: Wu D, Hu Y, Akashi S, Nojiri H, Guo L, Ye C, Zhu Q. H, Okada K, Fan L.
  • 雑誌名: Plant Journal 巻: 111 号: 5 ページ: 1354-1367
  • DOI: 10.1111/tpj.15893
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Aerial (+)-borneol modulates root morphology, auxin signalling and meristematic activity in Arabidopsis roots (2022)
  • 著者名/発表者名: Fukuda Kyohei、Uefune Masayoshi、Fukaki Hidehiro、Yamauchi Yasuo、Hara-Nishimura Ikuko、Ozawa Rika、Matsui Kenji、Sugimoto Koichi、Okada Kazunori、Imai Ryozo、Takahashi Kenshi、Enami Shinichi、Wurst Rene、Takabayashi Junji
  • 雑誌名: Biology Letters 巻: 18 号: 5 ページ: 20210629-20210629
  • DOI: 10.1098/rsbl.2021.0629
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The rice wound-inducible transcription factor RERJ1 sharing same signal transduction pathway with OsMYC2 is necessary for defense response to herbivory and bacterial blight (2022)
  • 著者名/発表者名: Valea Ioana、Motegi Atsushi、Kawamura Naoko、Kawamoto Koichi、Miyao Akio、Ozawa Rika、Takabayashi Junji、Gomi Kenji、Nemoto Keiichirou、Nozawa Akira、Sawasaki Tatsuya、Shinya Tomonori、Galis Ivan、Miyamoto Koji、Nojiri Hideaki、Okada Kazunori
  • 雑誌名: Plant Molecular Biology 巻: - 号: 4-5 ページ: 651-666
  • DOI: 10.1007/s11103-021-01186-0
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chitooligosaccharide elicitor and oxylipins synergistically elevate phytoalexin production in rice (2022)
  • 著者名/発表者名: Shinya Tomonori、Miyamoto Koji、Uchida Kenichi、Hojo Yuko、Yumoto Emi、Okada Kazunori、Yamane Hisakazu、Galis Ivan
  • 雑誌名: Plant Molecular Biology 巻: - 号: 4-5 ページ: 595-609
  • DOI: 10.1007/s11103-021-01217-w
  • 査読あり
• [雑誌論文] Genome-wide Screening of Genes Associated with Momilactone B Sensitivity in the Fission Yeast (2021)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Tomita, Yoko Yashiroda, Yasuhiro Matsuo, Jeff S Piotrowski, Sheena C Li, Reika Okamoto, Mami Yoshimura, Hiromi Kimura, Yumi Kawamura, Makoto Kawamukai, Charles Boone, Minoru Yoshida, Hideaki Nojiri, Kazunori Okada
  • 雑誌名: G3 (Bethesda) 巻: 11 号: 8
  • DOI: 10.1093/g3journal/jkab156
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Deciphering OPDA signaling components in the momilactone-producing moss Calohypnum plumiforme (2021)
  • 著者名/発表者名: Hideo Inagaki, Koji Miyamoto, Noriko Ando, Kohei Murakami, Koki Sugisawa, Shion Morita, Emi Yumoto, Miyu Teruya, Kenichi Uchida, Nobuki Kato, Takuya Kaji, Yousuke Takaoka, Yuko Hojo, Tomonori Shinya, Ivan Galis, Akira Nozawa, Tatsuya Sawasaki, Hideaki Nojiri, Minoru Ueda, Kazunori Okada
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: - ページ: 688565-688565
  • DOI: 10.3389/fpls.2021.688565
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Evolution of Labdane-Related Diterpene Synthases in Cereals. (2020)
  • 著者名/発表者名: Toyomasu T, Shenton MR, Okada K.
  • 雑誌名: Plant & Cell Physiology 巻: 61(11) 号: 11 ページ: 1850-1859
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa106
  • 査読あり
• [雑誌論文] Genomic evidence for convergent evolution of gene clusters for momilactone biosynthesis in land plants (2020)
  • 著者名/発表者名: Mao L, Kawaide H, Higuchi T, Chen M, Miyamoto K, Hirata Y, Kimura H, Miyazaki S, Teruya M, Fujiwara K, Tomita K, Yamane H, Hayashi K, Nojiri H, Jia L, Qiu J, Ye C, Timko MP, Fan L, and Okada K
  • 雑誌名: Proc Natl Acad Sci USA 巻: Online ahead of print 号: 22 ページ: 12472-12480
  • DOI: 10.1073/pnas.1914373117
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 新規殺菌剤トルプロカルブに関する研究(第 21 報) -モミラクトン類の根圏土への蓄積とアレロパシー活性- (2024)
  • 著者名/発表者名: ○萩原寛之，安藤卓也，畠山聡，吉野康佑，小原敏明，岡田憲典
  • 学会等名: 農薬学会
• [学会発表] 栽培イネのジャスモン酸シグナル抑制因子によるファイトアレキシン生産の拮抗的制御機構 (2023)
  • 著者名/発表者名: ○劉 又銘、山本 直樹、宮本 皓司、林 孟淳、野尻 秀昭、岡田 憲典
  • 学会等名: 植物化学調節学会
• [学会発表] 野生イネに保存されたジテルペノイドフィトアレキシン生産における転写制御機構 (2023)
  • 著者名/発表者名: 劉 又銘、山本 直樹、宮本 皓司、辻井良政、野尻 秀昭、○岡田 憲典
  • 学会等名: 植物化学調節学会
• [学会発表] 新規植物病害抵抗性誘導剤UT34のイネ及びアブラナ科作物における抵抗性誘導機構 (2023)
  • 著者名/発表者名: 森 昌樹、岡田 憲典、鎌倉 寿恵、神田恭和、西ヶ谷 有輝、仲下 英雄、浅見 忠男、○井上 晴彦
  • 学会等名: 植物化学調節学会
• [学会発表] Antagonis tic Regulato r y Netwo r k of Phytoalexin Biosynthesis in Rice JA Signal Pathway (2023)
  • 著者名/発表者名: ○Youming Liu, Naoki Yamamoto, Koji Miyamoto, Mengchun Lin, Hideaki Nojiri, Kazunori Okada
  • 学会等名: IPGSA2023
  • 国際学会
• [学会発表] Deciphering regulatory mechanisms associated with conserved gene clusters for diterpenoid phytoalexin biosynthesis in gramineous plants (2023)
  • 著者名/発表者名: ○Youming Liu, Shiho Tomiyama, Naoki Yamamoto, Masaki Mori, Koji Miyamoto, Hideaki Nojiri, Kazunori Okada
  • 学会等名: TERPENT
  • 国際学会
• [学会発表] Fate of diterpenoid phytoalexins: from induced biosynthesis to degradation (2023)
  • 著者名/発表者名: Youming Liu, Naoki Yamamoto, Masaki Mori, Koji Miyamoto, David Wari, Tomonori Shinya, Ivan Galis, Gen-ichiro Arimura, Takuya Sakamoto, Hideaki Nojiri, ○Kazunori Okada
  • 学会等名: TERPENT
  • 国際学会
• [学会発表] モミラクトンB による動物細胞の増殖抑制に関わる遺伝子の同定 (2023)
  • 著者名/発表者名: ○松本 健、黒川留美、高瀬 恵、岡田憲典、吉田 稔
  • 学会等名: 分子生物学会
• [学会発表] イネのジャスモン酸受容体OsCOI2の下流シグナル伝達の解明 (2023)
  • 著者名/発表者名: 稲垣 秀生、湯本 絵美、高岡 洋輔、岡田 憲典、上田 実、○宮本 皓司
  • 学会等名: 日本植物学会
• [学会発表] ハイゴケのモ ミラク トン生合成 経路 とその制 御に つい (2023)
  • 著者名/発表者名: 岡田憲典
  • 学会等名: 第33回 イソプレノイド研究会
• [学会発表] 新規殺菌剤トルプロカルブに関する研究（第19 報） －イネ地下部おけるモミラクトン類の蓄積動態－ (2023)
  • 著者名/発表者名: 萩原寛之、小原敏明、岡田憲典
  • 学会等名: 農薬学会
• [学会発表] 吸汁性昆虫によるイネへの吸汁加害とモミラクトンの関係 (2022)
  • 著者名/発表者名: 宮崎翔、森 昌樹、岡田憲典
  • 学会等名: 植物化学調節学会
• [学会発表] なぜ植物は多くのspecialized metabolites をつくるのか？モミラクトンが持つ幅広い生物活性の謎にせまる (2022)
  • 著者名/発表者名: 岡田憲典
  • 学会等名: 日本農芸化学会シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 植物由来のジテルペン化合物Momilactone Bは細胞内のROSレベルを減少させることで細胞の増殖を阻害する (2022)
  • 著者名/発表者名: 富田啓介, 松尾安浩, 八代田陽子, 吉田稔, 川向誠, 野尻秀昭, 岡田憲典
  • 学会等名: 日本農芸化学会
• [学会発表] 新規殺菌剤トルプロカルブに関する研究（第17報）－圃場イネにおけるモミラクトン類の蓄積消長－ (2022)
  • 著者名/発表者名: 富田啓介，萩原寛之，小原敏明，岡田憲典
  • 学会等名: 日本農薬学会
• [学会発表] Impacts of bioactive terpenoids of rice on living companions in phytobiomes (2021)
  • 著者名/発表者名: Kazunori Okada
  • 学会等名: 18th International Symposium on Rice Functional Genomics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] イネのジテルペン型ファイトアレキシン生産誘導における転写制御ネット ワーク (2021)
  • 著者名/発表者名: 劉 又銘, 田渕雄夢, 辻井良政, 山本直樹, 野尻秀昭, 岡田憲典
  • 学会等名: イソプレノイド研究会
• [学会発表] Phytobiome におけるモミラクトンのインパクト (2021)
  • 著者名/発表者名: 岡田憲典
  • 学会等名: イソプレノイド研究会
• [学会発表] ハイゴケのモミラクトンB生合成経路における最終段階を担う酵素遺伝子の同定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鵜木 真央, 宮崎 翔, 川出 洋, 野尻 秀昭, 岡田 憲典
  • 学会等名: 植物化学調節学会
• [学会発表] 新規殺菌剤トルプロカルブに関する研究（第13報）－イネにおけるジテルペン型ファイトアレキシン類の蓄積－ (2021)
  • 著者名/発表者名: 髙橋明里2，○鳥邉翔3，冨山詩歩，富田啓介，有村源一郎，萩原寛之， 小原敏明，岡田憲典
  • 学会等名: 日本農薬学会
• [学会発表] 新規殺菌剤トルプロカルブに関する研究（第12報）－イネにおけるジテルペン型ファイトアレキシン生合成経路の活性化－ (2021)
  • 著者名/発表者名: ○萩原寛之，髙橋明里，鳥邉翔，冨山詩歩，富田啓介，有村源一郎2，岡田憲典，小原敏明
  • 学会等名: 日本農薬学会
• [学会発表] イネのファイトアレキシン生合成遺伝子発現における上流保存領域の機能 (2020)
  • 著者名/発表者名: 茂木 郁也、冨山 詩歩、吉田 悠里、宮本 皓司、野尻 秀昭、岡田 憲典
  • 学会等名: 日本農芸化学会
• [学会発表] モミラクトンBの環境細菌に対する影響の解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: 鳥邉 翔, 富田 啓介, 野尻 秀昭, 岡田 憲典
  • 学会等名: 植物化学調節学会
• [学会発表] モミラクトンBはROSを減少させることで分裂酵母の生育を阻害する (2020)
  • 著者名/発表者名: 富田啓介, 松尾安浩, 川向誠, 八代田陽子, 吉田稔, 野尻秀昭, 岡田憲典
  • 学会等名: イソプレノイド研究会