植物による有用物質生産の新規化学制御技術の創成

• 研究課題/領域番号: 22K19160
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分38:農芸化学およびその関連分野
• 研究機関: 東京理科大学
• 研究代表者: 朽津 和幸 東京理科大学, 創域理工学部生命生物科学科, 教授 (50211884)
• 研究期間 (年度): 2022-06-30 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2023年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円); 2022年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: 特化代謝 / ジャスモン酸 / サリチル酸 / 構造活性相関 / フェニルプロパノイド経路 / 植物 / 病虫害抵抗性 / バイオスティミュラント / 耐病性 / 耐虫性 / 構造活性相関解析 / 二次代謝 / 乳液 / オミクス解析 / 植物有用物質生産

研究開始時の研究の概要

最近研究代表者らが見出した、モデル植物に処理すると、ジャスモン酸(JA)の内生量を増加させる化合物の、乳管細胞の分化、二次代謝産物の合成に対する影響に焦点を当て、有用物質生産に用いられる種々の植物種に供試し、応用可能性を探索する。一方モデル植物を用いて作用機序の解明を進める。こうしたアプローチにより、植物による有用物質生産の類例のない制御技術の基盤確立を目指す。

研究成果の概要

一般に植物のサリチル酸経路とジャスモン酸経路は相互に抑制的に機能すると考えられて来たが、植物に処理すると、ジャスモン酸とやや遅れてサリチル酸の蓄積を誘導すると共に、フェニルプロパノイド経路等の特化代謝関連遺伝子の発現を誘導する新規化合物を発見した。構造類縁体を合成し、構造活性相関解析を進め、活性に影響の少ない官能基を同定した。こうした知見に基づいて、複数種のビオチン化誘導体を合成し、標的候補タンパク質の探索・同定を進めた。遺伝子発現に対する影響を網羅的に調べると共に、植物培養細胞に処理し、代謝産物の分析を進めた。コケ植物を含む広範な植物種に効果を示すことが明らかとなった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ジャスモン酸経路と共にサリチル酸経路も活性化する、類例のない活性を持つ化合物の作用メカニズムの解明を進められたことにより、代謝制御や病虫害耐性の情報伝達系解明のための有効な分子ツールの候補を確立できた。さらに化合物による特化代謝の制御、病原体や害虫に対する抵抗性誘導、バイオスティミュラントなど、さまざまな応用を目指した化合物の探索・開発のためのリードとなることが期待される。ゲノム編集に代表される植物の遺伝的制御と相互補完的な、植物の化学制御技術開発の基盤となると期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Roadmap for the next decade of plant programmed cell death research (2024)
  • 著者名/発表者名: Kacprzyk Joanna、(他11名）、Kuchitsu Kazuyuki、Nowack Moritz K.、Rogers Hilary J.、Van Breusegem Frank、Gunawardena Arunika H. L. A. N.、McCabe Paul F.
  • 雑誌名: New Phytologist 巻: 242 号: 5 ページ: 1865-1875
  • DOI: 10.1111/nph.19709
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Growth control of Marchantia polymorpha gemmae using nonthermal plasma irradiation (2024)
  • 著者名/発表者名: Tsuboyama Shoko、Okumura Takamasa、Attri Pankaj、Koga Kazunori、Shiratani Masaharu、Kuchitsu Kazuyuki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 14 号: 1 ページ: 3172-3172
  • DOI: 10.1038/s41598-024-53104-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Rapid Propagation of Ca2+ Waves and Electrical Signals in the Liverwort <i>Marchantia polymorpha</i> (2024)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Kenshiro、Hashimoto Kenji、Hasegawa Kota、Shindo Hiroki、Tsuruda Yushin、Kupisz Kamila、Koselski Mateusz、Wasko Piotr、Trebacz Kazimierz、Kuchitsu Kazuyuki
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 65 号: 4 ページ: 660-670
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad159
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Enhanced Ca²⁺ binding to <scp>EF</scp>‐hands through phosphorylation of conserved serine residues activates <scp>MpRBOHB</scp> and chitin‐triggered <scp>ROS</scp> production (2023)
  • 著者名/発表者名: Hashimoto Takafumi、Hashimoto Kenji、Shindo Hiroki、Tsuboyama Shoko、Miyakawa Takuya、Tanokura Masaru、Kuchitsu Kazuyuki
  • 雑誌名: Physiologia Plantarum 巻: 175 号: 6
  • DOI: 10.1111/ppl.14101
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Novel in silico screening system for plant defense activators using deep learning-based prediction of reactive oxygen species accumulation. (2023)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Kogoshi, Daiki Nishio, Nobutaka Kitahata, Hayato Ohwada, Kazuyuki Kuchitsu, Hideyuki Mizuno & Takamitsu Kurusu
  • 雑誌名: Plant Methods 巻: 19 号: 1 ページ: 142-142
  • DOI: 10.1186/s13007-023-01118-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Diversity and characteristics of plant immunity-activating bacteria from Brassicaceae plants (2023)
  • 著者名/発表者名: Kaneko Hiroki、Miyata Fuma、Kurokawa Mari、Hashimoto Kenji、Kuchitsu Kazuyuki、Furuya Toshiki
  • 雑誌名: BMC Microbiology 巻: 23 号: 1 ページ: 175-175
  • DOI: 10.1186/s12866-023-02920-y
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Detection of NO3- introduced in plasma-irradiated dry lettuce seeds using liquid chromatography-electrospray ionization quantum mass spectrometry (LC-ESI QMS) (2022)
  • 著者名/発表者名: Okumura Takamasa、Attri Pankaj、Kamataki Kunihiro、Yamashita Naoto、Tsukada Yuichi、Itagaki Naho、Shiratani Masaharu、Ishibashi Yushi、Kuchitsu Kazuyuki、Koga Kazunori
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 12525-12525
  • DOI: 10.1038/s41598-022-16641-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Quantitative Analysis for ROS-Producing Activity and Regulation of Plant NADPH Oxidases in HEK293T Cells (2022)
  • 著者名/発表者名: Kimura Sachie、Kaya Hidetaka、Hashimoto Kenji、Wrzaczek Michael、Kuchitsu Kazuyuki
  • 雑誌名: Methods in Molecular Biology 巻: 2526 ページ: 107-122
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-2469-2_8
  • ISBN: 9781071624685, 9781071624692
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Regulation of PaRBOH1-mediated ROS production in Norway spruce by Ca2+ binding and phosphorylation (2022)
  • 著者名/発表者名: Nickolov Kaloian、Gauthier Adrien、Hashimoto Kenji、Laitinen Teresa、Vaisanen Enni、Paasela Tanja、Soliymani Rabah、Kurusu Takamitsu、Himanen Kristiina、Blokhina Olga、Fagerstedt Kurt V.、Jokipii-Lukkari Soile、Tuominen Hannele、Haggman Hely、Wingsle Gunnar、Teeri Teemu H.、Kuchitsu Kazuyuki、Karkonen Anna
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 13 ページ: 978586-978586
  • DOI: 10.3389/fpls.2022.978586
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 植物のジャスモン酸・サリチル酸双方の経路を活性化する化合物の抵抗性誘導効果と作用機構の解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 小川 瑞貴, 並木 健太郎, 遠矢 龍平, 小川 聡太, 星野 正剛, 粟野 眞妃, 舟橋 汰樹, 北畑 信隆, 斉藤 優歩, 中野 正貴, 橋本 研志, 倉持 幸司, 安部 洋, 浅見 忠男, 木村 成介, 朽津 和幸
  • 学会等名: 日本植物病理学会
• [学会発表] ゼニゴケの細胞分裂・成長制御における活性酸素種の役割と、低温プラズマ照射の影響の解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 坪山 祥子・朽津和幸
  • 学会等名: 第2回プラズマ種子科学研究会
  • 招待講演
• [学会発表] ジャスモン酸とサリチル酸の蓄積を誘導する CY8 の構造活性相関と結合タンパク質の探索 (2023)
  • 著者名/発表者名: 粟野 眞妃, 男澤 翔矢, 根本 健司 , 斉藤 優歩, 舟橋 汰樹 , 小川 瑞貴 , 星野 正剛, 北畑 信隆 , 中野 正貴 , 橋本 研志 , 朽津 和幸 , 古山 祐貴 , 倉持 幸司
  • 学会等名: 日本農薬学会第37回農薬デザイン研究会
• [学会発表] ジャスモン酸・サリチル酸双方の経路を活性化する化合物の効果と作用機序の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小川 聡太, 並木 健太郎 , 遠矢 龍平 , 小川 瑞貴 , 粟野 眞妃 , 舟橋 汰樹 , 北畑 信隆 ,斉藤 優歩 , 中野 正貴 , 橋本 研志 , 倉持 幸司 , 安部 洋 , 浅見 忠男 , 木村 成介 , 朽津 和幸
  • 学会等名: 植物化学調節学会第58回大会
• [学会発表] 低温プラズマによる植物の成長制御の分子メカニズム: 植物における活性酸素種の生理的役割 (2023)
  • 著者名/発表者名: 朽津 和幸,坪山 祥子,橋本 貴史,橋本 研志,奥村 賢直,古閑 一憲,白谷 正治
  • 学会等名: 第33回日本MRS年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Reactive oxygen species produced in the apoplast by NADPH oxidases play critical roles in regulating the structure and mechanical properties of the cell wall in Marchantia polymorpha. (2023)
  • 著者名/発表者名: Kenji Hashimoto, Mariko Higashijima, Kayo Kamiya, Yuto Yamashita, Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Critical Roles and molecular mechanisms of Nox/Rboh-mediated ROS production in the regulation of cell division and cell cycle progression in Marchantia polymorpha (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuto Yamashita, Yuki Hagiwara, Kenji Hashimoto, Hidemasa Suzuki, Ryuichi Nishihama, Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spatio-temporal Pattern Analysis of Spontaneous Ca2+ Spikes in Marchantia polymorpha. (2023)
  • 著者名/発表者名: Erina Seno, Yuka Yoshizawa, Yuto Yamashita, Kenji Hashimoto, Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Mode of action and possible application of a novel compound that induces the accumulation of both jasmonic acid and salicylic acid in Arabidopsis. (2023)
  • 著者名/発表者名: Mizuki Ogawa, Kentaro Namiki, Ryuhei Toya, Sota Ogawa, Seigo Hoshino, Manami Awano, Hinaho Uesugi, Taiki Funahashi, Nobutaka Kitahata, Yuho Saito, Masataka Nakano, Kenji Hashimoto, Hiroshi Abe, Tadao Asami, Seisuke Kimura, Kouji Kuramochi, Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Spontaneous spikes, fluctuation and oscillation of calcium ion concentration in plants: possible significance in morphogenesis, signal transmission and environmental adaptation. (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: Hybrid QBIC Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Mode of action and possible application of a novel compound that induces the accumulation of both jasmonic acid and salicylic acid in Arabidopsis. (2023)
  • 著者名/発表者名: Mizuki Ogawa, Kentaro Namiki, Ryuhei Toya, Sota Ogawa, Seigo Hoshino, Manami Awano, Hinaho Uesugi, Taiki Funahashi, Nobutaka Kitahata, Yuho Saito, Masataka Nakano, Kenji Hashimoto, Hiroshi Abe, Tadao Asami, Seisuke Kimura, Kouji Kuramochi, Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: Hybrid QBIC Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] シロイヌナズナにジャスモン酸とサリチル酸の蓄積を誘導する化合物の抵抗性誘導効果と作用機序の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 遠矢 龍平, 並木 健太郎, 小川 聡太, 小川 瑞貴, 星野 正剛, 粟野 眞妃, 上杉 日奈保, 舟橋 汰樹 , 北畑 信隆, 斉藤 優歩, 中野 正貴, 橋本 研志, 倉持 幸司, 安部 洋, 浅見 忠男, 木村 成介, 朽津 和幸
  • 学会等名: 令和５年度日本植物病理学会関東部会
• [学会発表] シロイヌナズナにジャスモン酸とサリチル酸の蓄積を誘導する化合物の作用機序とその応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小川 瑞貴, 並木 健太郎, 遠矢 龍平, 小川 聡太, 星野 正剛, 粟野 眞妃, 上杉 日奈保, 舟橋 汰樹, 北畑 信隆, 斉藤 優歩, 中野 正貴, 橋本 研志, 倉持 幸司, 安部 洋, 浅見 忠男, 木村 成介, 朽津 和幸
  • 学会等名: 第40回日本植物バイオテクノロジー学会（千葉）大会
• [学会発表] 植物の生き方・情報処理・生体防御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 朽津 和幸
  • 学会等名: 日本薬理学会関東部会
  • 招待講演
• [学会発表] Programmed Cell Death in Plants: Elicitor-triggered PCD in cultured cells and autophagy-mediated PCD in rice tapetum during pollen maturation. (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: New Phytologist Plant Programmed Cell Death Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Mode of action of a novel putative plant defense activator that induces the accumulation of both jasmonic acid and salicylic acid in Arabidopsis. (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazuyuki Kuchitsu, Kentaro Namiki, Taiki Funahashi, Nobutaka Kitahata, Yuho Saito, Masataka Nakano, Kenji Hashimoto, Tadao Asami, Seisuke Kimura, Kouji Kuramochi
  • 学会等名: The 33rd International Conference on Arabidopsis Research
  • 国際学会
• [学会発表] Roles of reactive oxygen species in plant development: Growth control of a model liverwort Marchantia polymorpha by nonthermal plasma. (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazuyuki Kuchitsu, Shoko Tsuboyama, Takafumi Hashimoto, Kenshiro Watanabe, Kenji Hashimoto, Takamasa Okumura, Kazunori Koga, Masaharu Shiratani
  • 学会等名: The 7th International Symposium on Plasma & Fine Bubbles to Agriculture and Aquaculture
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ジャスモン酸・サリチル酸双方の経路を活性化する新規化合物の構造活性相関と標的因子の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 朽津和幸，舟橋汰樹，並木健太郎，北畑信隆，斉藤優歩，中野正貴，橋本研志，浅見忠男，木村成介，男澤翔矢，根本健司，粟野眞妃，倉持幸司 坪山祥子、奥村賢直、古閑一憲、白谷正治
  • 学会等名: 第６４回日本植物生理学会年会・東北大学
• [学会発表] シロイヌナズナにジャスモン酸・サリチル酸双方の蓄積を誘導する新規化合物の作用機構の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 並木 健太郎, 神代 遥 , 遠矢 龍平, 小川 瑞貴, 小川 聡太, 北畑 信隆 , 斉藤 優歩, 中野 正貴, 舟橋 汰樹, 橋本 研志, 倉持 幸司, 浅見 忠男, 安部 洋, 高橋史憲,木村 成介, 朽津 和幸
  • 学会等名: 第６４回日本植物生理学会年会・東北大学
• [学会発表] 植物のジャスモン酸・サリチル酸双方の経路を活性化する抵抗性誘導候補化合物の構造活性相関・作用機序の解析と灰色カビ病菌に対する効果 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小川 聡太, 並木 健太郎, 舟橋 汰樹, 遠矢 龍平, 神代 遥, 小川 瑞貴,粟野 眞妃，北畑 信隆, 斉藤 優歩, 中野 正貴, 橋本 研志, 倉持 幸司, 安部 洋, 浅見 忠男, 木村 成介, 朽津 和幸
  • 学会等名: 令和5年度日本植物病理学会大会
• [学会発表] 植物のジャスモン酸・サリチル酸双方の経路を活性化する化合物の抵抗性誘導効果と作用機序の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小川 瑞貴, 並木 健太郎, 舟橋 汰樹, 遠矢 龍平, 神代 遥, 小川 聡太, 松本 史織, 前田 健太郎, 北畑 信隆, 斉藤 優歩, 中野 正貴, 橋本 研志, 倉持 幸司, 阿部 洋, 浅見 忠男, 木村 成介, 朽津 和幸
  • 学会等名: 令和4年度日本植物病理学会関東部会
• [学会発表] シロイヌナズナにジャスモン酸・サリチル酸の蓄積を誘導する新規化合物の作用機構の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 並木 健太郎,北畑 信隆,斉藤 優歩,中野 正貴,西田 えり佳,舟橋 汰樹,遠矢 龍平,松本 史織,前田 健太郎,橋本 研志,倉持 幸司,安部 洋,浅見 忠男,木村 成介,朽津 和幸
  • 学会等名: 植物化学調節学会第57回福井大会
• [学会発表] 網羅的遺伝子発現解析による新規植物免疫活性化剤候補化合物 CY8 の作用機構の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 並木 健太郎，神代 遥，北畑 信隆，木村 成介，橋本 研志，朽津 和幸
  • 学会等名: 2022年度生物環境イノベーション研究部門公開シンポジウム 「生命の環境センシング技術の最前線」
• [学会発表] シロイヌナズナの病虫害抵抗性に対する植物免疫活性化候補化合物 CY8 の効果の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 遠矢龍平，小川聡太，小川瑞貴，中野正貴，橋本研志，朽津和幸
  • 学会等名: 2022年度生物環境イノベーション研究部門公開シンポジウム 「生命の環境センシング技術の最前線」
• [学会発表] 新規植物免疫活性化剤の構造活性相関と作用機構の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 舟橋汰樹、北畑信隆、中野正貴、橋本研志、朽津和幸
  • 学会等名: 2022年度生物環境イノベーション研究部門公開シンポジウム 「生命の環境センシング技術の最前線」
• [学会発表] ROS and Ca2+-mediated regulation of development and stress responses in Marchantia polymorpha. (2022)
  • 著者名/発表者名: Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: Julius von Sachs Colloquium
  • 国際学会 / 招待講演