植物トリプトファン代謝系を利用した炭疽病菌と共棲菌の同時制御技術の開発

2017 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 16KT0031
• 研究機関: 奈良先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 西條 雄介 奈良先端科学技術大学院大学, バイオサイエンス研究科, 准教授 (50587764)
• 研究分担者: 中尾 佳亮 京都大学, 工学研究科, 教授 (60346088) ; 藤田 美紀 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, 研究員 (70332294)
• 研究期間 (年度): 2016-07-19 – 2019-03-31
• キーワード: 植物微生物相互作用 / 共生 / 内生菌

研究実績の概要

環境に低負荷で安定的に食料生産を高める戦略として、植物病虫害を防除し、かつ植物の成長・健康を増進する共棲微生物（内生微生物、エンドファイト）を活用することは極めて重要な位置付けにある。しかし、共棲菌を許容しながら病原菌を撃退することは技術的に困難であると予想される上、共棲菌の大部分について未同定もしくは生理的役割や効果的な活用法が不明であるのが現状である。先行研究において、共棲糸状菌による植物の成長促進効果には植物のトリプトファン代謝系による共棲菌の制御が必要であることを見出した。初年度に引き続き、野外圃場において異なる施肥条件で育てたアブラナ科植物（ダイコン等）から植物成長促進機能を有する複数種の共棲糸状菌を単離し、シロイヌナズナにおいて機能解析を進めた。宿主シロイヌナズナのトリプトファン代謝経路（及びその一部）を欠損した変異体植物においては、共棲菌の多くは潜在していた病原性を発現してしまう。しかしながら、欠損した合成化合物を投与することで、当該代謝経路を介した共棲菌の制御機能が部分的に相補されたことから、計画の有効性・妥当性を確認することができた。単離された共棲菌の中には、互いに近縁な、Colletotrichum gloeosporioides (Cg)の内生株と病原株が含まれており、それぞれCgE・CgPと命名した。共接種すると、共生型CgEは病原型CgPによる病兆を軽減し、植物保護機能も有することが分かった。両菌について、先進ゲノム支援領域による技術サポートの下、現在ゲノム解析を進めている。また、CgEによる植物保護機能には、植物のエチレンを介した免疫経路が必要であることが分かった。

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

内生糸状菌資源の探索について、圃場の土栽培（異なる施肥条件）で育てたアブラナ科植物（ダイコン等）から内生糸状菌を単離し、リボソーム保存配列（ITS領域）情報にもとづき分類した。分離した内生菌の一部についてシロイヌナズナに接種して機能（リン欠乏・充分条件における植物の成長促進など）を評価した。CgEの感染は、リン欠乏条件では病兆の発現につながることも分かるなど、興味深い発見を得ることが出来た。当初の期待とは少々異なり、有用菌の幅広い探索よりは、CgEに関する研究を深化させる方向で進めている。CgPという近縁株が存在することもあり、さらに進めていくにはCgEの精密なゲノム情報を得ることが必要であるが、当初の予想以上に解析に時間を要している。また、先行研究で同定されていたCt（リン欠乏条件で植物成長を促進する共生菌）やCgEの制御・共生効果には宿主植物のトリプトファン代謝系が必要であることが判明しており、現在、有機合成品の投与によるレスキュー実験を進めている。同時に、トリプトファン代謝経路の変異植物において、分子レベルでもCtの病原性促進エフェクター候補遺伝子の発現に対する遺伝子変異の影響並びに有機合成品の投与によるレスキュー効果を解析中であり、次の機会で成果を報告したい。

今後の研究の推進方策

①内生糸状菌資源の探索。これまでに取組みが手薄な春から夏にかけても単離及びシロイヌナズナにおける接種試験を試みる。大規模には進めず、下記の②③に注力する。
②モデル内生菌及び病原菌との相互作用におけるトリプトファン代謝系の役割の解明。CgE, CgPのゲノム情報を得られ次第、今後の解析に活用していく。両菌を単独接種もしくは共接種した植物を材料として、RNA-seq解析をすでに行っており、植物側では、CgEの植物防御機能の発現と発現パターンに関して高い相関を示す遺伝子をリスト化する。同時に、菌側の遺伝子発現応答に関してもゲノム情報を利用してデータ解析を進める。
③IAOxの投与によるcyp79B2 cyp79B3 欠損植物の罹病性の相補を皮切りに、ケミカルレスキュー実験系が確立できたので化合物ライブラリーのスクリーニングを着実に進めていく。同時に、有機合成品を標準物質として利用し、代謝物分析によって、菌接種に続いて起こるトリプトファン関連二次代謝物や一次代謝物の変動を記述する。
また、シロイヌナズナにおいて効果の見られた菌・化合物に着目して、コマツナ等、アブラナ科作物においても解析条件の検討を進めながら菌接種および化合物投与による影響の調査を行う。

次年度使用額が生じた理由

内生菌と化合物の組合せ効果を最大化する条件の検討を進めており、その進捗に併せて遺伝子発現解析などを行う計画で引き続き準備を進めているため。

研究成果

• [雑誌論文] Pattern recognition receptors and signaling in plant-microbe interactions. (2018)
  • 著者名/発表者名: Saijo Y., Loo P.E., and Yasuda S.
  • 雑誌名: Plant J 巻: 93 ページ: 592-613
  • DOI: 10.1111/tpj.13808
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A look at plant immunity through the window of the multitasking coreceptor BAK1. (2017)
  • 著者名/発表者名: Yasuda, S., Okada, K. and Saijo, Y.
  • 雑誌名: Curr Opin Plant Biol 巻: 38 ページ: 10-18
  • DOI: 10.1016/j.pbi.2017.04.007
  • 査読あり
• [雑誌論文] NLR locus-mediated trade-off between abiotic and biotic stress adaptation in Arabidopsis. (2017)
  • 著者名/発表者名: Ariga, H., Katori, T., Tsuchimatsu, T., Hirase, T., Tajima, Y., Parker, J.E., Alcazar, R., Koornneef, M., Hoekenga, O., Lipka, A.E., Gore, M.A., Sakakibara, H., Kojima, M., Kobayashi, Y., Iuchi, S., Kobayashi, M., Shinozaki, K., Sakata, Y., Hayashi, T., Saijo, Y. and Taji, T.
  • 雑誌名: Nature Plants 巻: 3 ページ: 17072
  • DOI: 10.1038/nplants.2017.72
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 糸状菌 Colletotrichum tofieldiae の種内比較から明らかになった Colletotrichum属菌の多様な宿主感染様式 (2018)
  • 著者名/発表者名: 晝間 敬、杉田 亮平、田野井 慶太朗、佐藤 豊三、西條 雄介
  • 学会等名: 平成３０年度日本植物病理学会大会
• [学会発表] Colletotrichum endophyte-mediated control of fungal pathogenesis in Arabidopsis thaliana (2018)
  • 著者名/発表者名: Kuldanai Pathompitaknukul, Kei Hiruma and Yusuke Saijo
  • 学会等名: 平成３０年度日本植物病理学会大会
• [学会発表] Natural variations of interactions with a root-colonizing endophytic fungus in Arabidopsis thaliana (2018)
  • 著者名/発表者名: Shion Yamaguchi, Shigetaka Yasuda, Nozomi Kitagawa, Mutusumi Watanabe, Takayuki Tohge、Kei Hiruma, and Yusuke Saijo
  • 学会等名: 第59回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Tryptophan metabolite-based control of endophytic fungi in beneficial association with Arabidopsis thaliana (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigetaka Yasuda, Kei Hiruma, Shion Yamaguchi, Lee Tae Hong, Semba Kazuhiko, Mutsumi Watanabe, Takayuki Tohge, Yoshiaki Nakao, Yusuke Saijo
  • 学会等名: 第59回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Colletotrichum endophyte-mediated control of fungal pathogenesis in Arabidopsis thaliana (2018)
  • 著者名/発表者名: Kuldanai Pathompitaknukul, Kei Hiruma and Yusuke Saijo
  • 学会等名: 5th Plant Genomics & Gene Editing Congress Asia
  • 国際学会 / 招待講演