根寄生雑草防除の鍵となるストリゴラクトン生合成酵素の解明

• 研究課題/領域番号: 23K23536
• 補助金の研究課題番号: 22H02269 (2022-2023)
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 基金 (2024); 補助金 (2022-2023)
• 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: 宇都宮大学
• 研究代表者: 野村 崇人 宇都宮大学, バイオサイエンス教育研究センター, 准教授 (60373346)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2024年度)
• 配分額: 17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円); 2025年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2024年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2023年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2022年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
• キーワード: ストリゴラクトン / 生合成 / 根寄生雑草

研究開始時の研究の概要

ストライガやオロバンキといった根寄生雑草が世界各地の農作物に甚大な被害を与えている。根寄生雑草の種子は植物の根から分泌されるストリゴラクトンと呼ばれる化合物を認識して発芽する。ストライガ耐性品種として育種により作出されたソルガムから、その耐性を付与した原因遺伝子LGS1が同定されている。本研究では、根寄生雑草の防除法の開発基盤となりうるLGS1酵素によるSL生合成経路を明らかにする。

研究実績の概要

ストライガやオロバンキといった根寄生雑草が世界各地の農作物に甚大な被害を与えている。しかしながら、現在までに根寄生雑草の有効な防除法は確立されていない。根寄生雑草の種子は植物の根から分泌されるストリゴラクトンと呼ばれる化合物を認識して発芽する。一方、ストリゴラクトンはアーバスキュラー菌根菌との共生や宿主植物の枝分かれも制御している。本研究では、ストリゴラクトン生合成経路を解明して、その知見を基にして根寄生雑草のみを制御する防除法の開発を行う。ストライガ耐性品種として育種により作出されたソルガムから、その耐性を付与した原因遺伝子LGS1が同定されている。LGS1遺伝子は立体特異的なストリゴラクトンの環化反応に関わる生合成酵素をコードしていると考えられるが、その機能は解明されていない。本研究では、LGS1酵素の機能の解明を進め、LGS1酵素を標的とする根寄生雑草の防除剤の開発を目指している。
これまでの研究において、ストリゴラクトンの前駆物質として18-hydroxycarlactonoic acid (18-OH-CLA)と大腸菌で発現させたLGS1タンパク質をインキュベートしたところ、ソルガムの主要なストリゴラクトンである5-deoxystrigol (5DS)の生産が確認された。しかし、同時にその立体異性体の4-deoxyorobanchol(4DO)も検出された。LGS1遺伝子は硫酸基転位酵素をコードしており、18-OH-CLAの水酸基に硫酸基が付加して脱離し、酵素非依存的にC環の環化が進んだと考えられた。4DOはソルガムからは検出されない。すなわち、5DSだけを生産する経路にはもう一つ、C環の立体を決める酵素が必要であると考えている。本年度はその酵素の同定を目的に研究を行った。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

ストリゴラクトン生合成遺伝子はリン欠乏条件において発現量が増加する。そこで、培養液のリン含量を変えてソルガムを栽培し、その根について遺伝子発現解析を行った。また既存の遺伝子発現データベースを用いて解析を行った。これらによりLGS1と共発現している酵素遺伝子を選び、機能解析を行った。機能解析は代表者がこれまでに行ってきた酵母や大腸菌を用いた発現系や、ベンサミアナタバコ(Nicotiana benthamiana)による一過的発現系を用いた。ストリゴラクトンはβ-カロテンから生合成される。ベンサミアナタバコの葉に大量に含まれるβ-カロテンを出発基質に、既に解明されている上流のストリゴラクトン生合成酵素遺伝子を発現させれば基質を供給できる。アグロバクテリウムの発現ベクターに候補遺伝子を組み込み、葉に感染させた。5日後に抽出して、候補遺伝を導入したときに産生されるストリゴラクトンがどう変化するかLC-MS/MSを用いて調べた。これにより、LGS1と一緒に発現させたときに5DSが選択的に合成されるか確認した。また、大腸菌や酵母においても目的タンパク質を発現させ、推定基質のcarlactoneやcarlactonoic acid などをインキュベートして代謝物を分析した。その代謝物をLGS1タンパク質とインキュベートして5DSが選択的に生成するかを調べた。以上の内容は研究計画通りであり、おおむね順調に進展している。

今後の研究の推進方策

候補遺伝子にコードされる酵素がどのように5DSの立体特異的な生合成を制御しているのかはその酵素ファミリーの機能からは説明ができていない。候補遺伝子はイネ科植物に限らず、シロイヌナズナやトマトにも類似タンパク質をコードする遺伝子が存在する。そこで本年度は、他の植物種のホモログタンパク質の解析を進めて、その機能が植物界に保存されているのかを調べる。そのため、ソルガムの候補酵素の解析と同様に酵母や大腸菌を用いた発現系やベンサミアナタバコによる一過的発現系を用いてシロイヌナズナやトマトのホモログタンパク質の酵素機能を解析する。もし、それらのタンパク質もSL生合成酵素として機能しているようであれば、ゲノム編集によりシロイヌナズナの機能欠失変異体の作出を進める。

研究成果

• [国際共同研究] カリフォルニア大学リバーサイド校(米国)
• [国際共同研究] トゥールーズ大学(フランス)
• [国際共同研究] KAUST(サウジアラビア)
• [国際共同研究] リーズ大学(英国)
• [雑誌論文] An ancestral function of strigolactones as symbiotic rhizosphere signals. (2022)
  • 著者名/発表者名: Kodama K, Rich k, Yoda A, Shimazaki S, Xie X, Akiyama K.,Mizuno Y, Komatsu A., Luo Y, Suzuki H, Kameoka H, Libourel C, Keller J, Sakakibara K, Nishiyama T, Nakagawa T, Mashiguchi K, Uchida K, Yoneyama K, Tanaka Y, Yamaguchi S, Shimamura M , Delaux P, Nomu
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 号: 1 ページ: 3974-3974
  • DOI: 10.1038/s41467-022-31708-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Supra-organismal regulation of strigolactone exudation and plant development in rice in response to rhizospheric cues (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoneyama K*, Xie X, Nomura T, Yoneyama K, Bennett T
  • 雑誌名: Curr. Biol 巻: 32 号: 16 ページ: 3601-3608
  • DOI: 10.1016/j.cub.2022.06.047
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Production and stably maintenance of strigolactone by transient expression of biosynthetic enzymes in Nicotiana benthamiana (2022)
  • 著者名/発表者名: Yata A., Nosaki S., Yoda A., Nomura T., Miura K.
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 13 ページ: 1027004-1027004
  • DOI: 10.3389/fpls.2022.1027004
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Canonical strigolactones are not the major determinant of tillering but important rhizospheric signals in rice (2022)
  • 著者名/発表者名: Ito Shinsaku、Braguy Justine、Wang Jian You、Yoda Akiyoshi、Fiorilli Valentina, Nomura Takahito、Asami Tadao、Al-Babili Salim
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 8 号: 44
  • DOI: 10.1126/sciadv.add1278
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] コケ植物セン類のストリゴラクトン分析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 日向野 梢、謝 肖男、嶋村正樹、野村崇人
  • 学会等名: 植物化学調節学会第57回大会
• [学会発表] フタバネゼニゴケにおける窒素欠乏に応答したストリゴラクトン生合成の制御 (2022)
  • 著者名/発表者名: 依田彬義、児玉恭一、野村崇人、経塚淳子
  • 学会等名: 植物化学調節学会第57回大会
• [学会発表] マイクロトムのストリゴラクトン受容体遺伝子DWARF14欠損変異体の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 相場北斗、 櫻井雅己、角田奈央、長谷川翔子、杉本貢一、篠崎良仁、瀬戸義哉、野村崇人、江面 浩、梅原三貴久
  • 学会等名: 植物化学調節学会第57回大会