ナス科植物における花香の生成放散機構の解明

• 研究課題/領域番号: 20K05840
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分38030:応用生物化学関連
• 研究機関: 山口大学
• 研究代表者: 肥塚 崇男 山口大学, 大学院創成科学研究科, 准教授 (30565106)
• 研究分担者: 真野 純一 山口大学, 大学研究推進機構, 教授 (50243100)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2020年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
• キーワード: 香気成分 / 配糖体化 / 輸送担体 / 揮発性ベンゼノイド

研究開始時の研究の概要

ナス科植物であるペチュニアおよびタバコは受粉媒介者を誘引するために、花香として揮発性ベンゼノイドを夜間特異的に生成する。揮発性ベンゼノイドの生合成経路が判明してきた一方で、生成された香気成分がどのような過程を経て細胞内から大気中へと放散されるのかは未だ不明である。本研究では、花器官における配糖体化による香気成分生成への影響および輸送担体を介した細胞内から細胞外への動態解析を行い、香気成分の生成放散メカニズムを分子レベルで解明する。

研究成果の概要

ナス科植物では夜間特異的に香気成分を生成し、夜行性の蛾を受粉媒介者として誘引するなど高度な共生機構を進化させてきた。しかし、植物細胞内で生成された花香成分がどのように大気中へ放散されるのか、特に配糖化や輸送担体の花香生成放散への影響は不明である。本研究ではペチュニアやタバコを用いて、異なる開花段階、昼夜の異なる時間帯で網羅的な代謝物分析並びにRNA-seq解析を行った。その結果、花香成分の生合成遺伝子に加えて、配糖化遺伝子や輸送体遺伝子が同調発現していることが判明した。さらに、得られた配糖体化酵素は揮発性ベンゼノイドや中間体である安息香酸に配糖化活性を示すことを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

生成された香気成分は葉などの栄養器官では配糖体として蓄積され、植物自身の毒性回避や植食者への撃退に備え蓄積される。一方、花などの繁殖器官で香気成分がなぜ配糖体として蓄積されるのか、また、どのようにして細胞内から植物体外に運ばれるのか、その放散メカニズムは不明である。本研究は植物細胞内で生合成された花香成分が配糖体化酵素による貯蔵、輸送体や脂質輸送タンパク質を介して大気中へと放散される可能性を分子レベルで示唆したものであり、花香生成の人為的制御を考える上で重要である。花香を利用した天敵昆虫による生物的害虫防除や香料創作など新たな香りビジネスの技術開発にも貢献できることが期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Biosynthesis of dillapiole/apiole in dill (Anethum graveolens): characterization of regioselective phenylpropene O-methyltransferase (2023)
  • 著者名/発表者名: Takao Koeduka, Bunta Watanabe, Konomi Shirahama, Masaru Nakayasu, Shiro Suzuki, Takumi Furuta, Hideyuki Suzuki, Kenji Matsui, Tomoyuki Kosaka, Shin-ichi Ozaki
  • 雑誌名: The Plant Journal 巻: 113 号: 3 ページ: 562-575
  • DOI: 10.1111/tpj.16068
  • 査読あり
• [雑誌論文] Gene expression analysis of the ATP-binding cassette transporter ABCD1 in petunia (Petunia hybrida) and tobacco (Nicotiana spp.) (2023)
  • 著者名/発表者名: Shitan Nobukazu、Nishitani Shiori、Inagaki Akiko、Nakahara Yoko、Yamada Yasuyuki、Koeduka Takao
  • 雑誌名: Plant Gene 巻: 33 ページ: 100391-100391
  • DOI: 10.1016/j.plgene.2022.100391
  • 査読あり
• [雑誌論文] CRISPR/Cas9-mediated disruption of <i>ALLENE OXIDE SYNTHASE</i> results in defective 12-oxo-phytodienoic acid accumulation and reduced defense against spider mite (<i>Tetranychus urticae</i>) in liverwort (<i>Marchantia polymorpha</i>) (2022)
  • 著者名/発表者名: Koeduka, T., Takaishi, M., Suzuki, M., Nishihama, R., Kohchi, T., Uefune, M., and Matsui, K.
  • 雑誌名: Ｐｌａｎｔ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 巻: 39 号: 2 ページ: 191-194
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.22.0328a
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • 年月日: 2022-06-25
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Green leaf volatile-burst in Selaginella moellendorffii (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, M., Koeduka, T., Matsui, K.
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 12 ページ: 731694-731694
  • DOI: 10.3389/fpls.2021.731694
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Parallel evolution of UbiA superfamily proteins into aromatic O-prenyltransferases in plants (2021)
  • 著者名/発表者名: Munakata, R., Olry, A., Takemura, T., Tatsumi, K., Ichino, T., Villard, C., Kageyama, J., Kurata, T., Nakayasu, M., Jacob, F., Koeduka, T., Yamamoto, H., Moriyoshi, E., Matsukawa, T., Grosjean, J., Krieger, C., Sugiyama, A., Mizutani, M., Bourgaud, F., Hehn, A., Yazaki, K.
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 巻: 118 号: 17
  • DOI: 10.1073/pnas.2022294118
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Synthesis of deuterium-labeled cinnamic acids: Understanding the volatile benzenoid pathway in the flowers of the Japanese loquat Eriobotrya japonica. (2021)
  • 著者名/発表者名: Watanabe B, Nishitani S, Koeduka T.
  • 雑誌名: J Labelled Comp Radiopharm. 巻: 64 号: 10 ページ: 403-416
  • DOI: 10.1002/jlcr.3933
  • 査読あり
• [雑誌論文] Production of raspberry ketone by redirecting the metabolic flux to the phenylpropanoid pathway in tobacco plants (2021)
  • 著者名/発表者名: Koeduka Takao、Takarada Sachiho、Fujii Koya、Sugiyama Akifumi、Yazaki Kazufumi、Nishihara Masahiro、Matsui Kenji
  • 雑誌名: Metabolic Engineering Communications 巻: 13 ページ: e00180-e00180
  • DOI: 10.1016/j.mec.2021.e00180
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Molecular cloning and characterization of UDP-glucose: Volatile benzenoid/phenylpropanoid glucosyltransferase in petunia flowers (2020)
  • 著者名/発表者名: Koeduka Takao、Ueyama Yukiko、Kitajima Sakihito、Ohnishi Toshiyuki、Matsui Kenji
  • 雑誌名: Journal of Plant Physiology 巻: 252 ページ: 153245-153245
  • DOI: 10.1016/j.jplph.2020.153245
  • 査読あり
• [学会発表] 植物香気成分の生合成分子機構の解明と代謝改変に関する研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 肥塚崇男
  • 学会等名: 日本植物バイオテクノロジー学会
  • 招待講演
• [学会発表] 進化の過程で最適化された植物揮発性化合物の生成制御機構：代謝工学による人為的改変は可能か？ (2021)
  • 著者名/発表者名: 肥塚崇男
  • 学会等名: 日本農芸化学会
  • 招待講演
• [学会発表] ペチュニア花香配糖体の生合成に関わる糖転移酵素の機能解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 肥塚崇男、上山由記子、北島佐紀人、大西利幸、松井健二
  • 学会等名: 日本植物生理学会