植物と病原体の攻防における分子機構

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H06172
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 白須 賢 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, グループディレクター (20425630)
• 研究期間 (年度): 2017-05-31 – 2022-03-31
• キーワード: 分子間相互作用 / 生物間相互作用

研究実績の概要

シロイヌナズナにおいて過酸化水素およびキノンを認識してカルシウム濃度を上昇させるシグナルに必須である膜タンパク質CARD1のコシオガマホモログが、キノンを認識した際にリン酸化されるアミノ酸をリン酸化プロテオーム解析法によって同定した。また、そのシグナル伝達系の下流でリン酸化されると考えられるタンパク質を同様の方法で同定した。また、細菌の鞭毛を与えたときに活性酸素を生産する酵素であるRBOHDの共免疫沈降法と質量分析法を用いて、RBOHDに関連するタンパク質としてPB1CPを同定した。また、PB1CPがRBOHDや炭疽病菌に対する抵抗性を負に制御していることがわかった。PB1CPは、RBOHDと直接相互作用し、PAMP処理により相互作用が増大する。PB1CPは細胞周辺および細胞質に局在するが、PAMP処理により小さな膜内コンパートメントに再局在する。過剰発現させるとRBOHDの細胞膜への局在が減少することから、PB1CPがRBOHDを細胞膜から再局在させることで、RBOHDの機能を低下させていることが示唆された。また、イチゴに対する病原性が異なる４種について、全ゲノムアセンブリを作成し、アノテーションを行った。比較ゲノム解析の結果、イチゴに病原性を持つ各菌株で保存度の高いアクセサリー領域を特定した。これらの領域は、エフェクターと呼ばれる病原性関連遺伝子のホモログをコードしており、各菌株でコピー数の異なるシンテニー遺伝子群で構成されていた。各菌株の連続性の高いアセンブリーを解析したところ、関連するアクセサリーエフェクター遺伝子群がテロメアや繰り返しの多い染色体と関連しており、これら2つのゲノムコンパートメント間で交換が行われていることが明らかになった。さらに、発現解析を行ったところ、感染時に、シンテニー遺伝子群のオルソログが相関して遺伝子を発現する傾向が見られた。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

過酸化水素およびキノンを認識して活性化する受容体型キナーゼの下流因子、また活性酸素を生産するRBOHDに結合する新規因子を同定できており、その一部はＫＯ変異体の解析から表現型が明らかになってきている。このことから病原体認識における活性酸素シグナルの全容が明らかになりつつあると考える。また、病原体ゲノムシークエンス・発現解析を継続しておこない、病原性エフェクター候補の同定ができており、感染時に活性酸素シグナルを低下させるものや、逆に亢進するものも同定できている。マーカーリサイクル技術を用いてノックアウトを作成して、病原性の有無を確認できており、病原体が如何にして活性酸素シグナルをブロックするか、あるいは植物がこれにどう対抗しているかが明らかになりつつある。よって、研究は当初の計画以上に進展していると考えられる。

今後の研究の推進方策

キノン・過酸化水素センサーに関して、そのホモログをコードする遺伝子をゲノム編集し作成した変異体の表現型を解析し、この遺伝子群の生物的存在意義を明らかにする。また、キノン・過酸化水素センサーの結合するタンパク質を、酵母２ハイブリッド法やプロテオーム解析法を用いて同定し、その変異体を作成することでその機能を探索する。また、本研究室においてこれまでに解析をおこなってきた植物免疫における重要タンパク質の複合体構成因子として同定されたタンパク質について、シロイヌナズナやベンサミアーナタバコ等の植物内で発現させて、免疫沈降法や蛍光タンパク質をつかってその結合を細胞内で確認し、シロイヌナズナにおけるT-DNA KO やCRSIPR/CAS9 の変異体解析や、ベンサミアーナタバコにおけるサイレンシングシステム・相補実験等を用いて機能解析を進める。植物免疫の表現型の解析としては、各病原体への抵抗性の変化や、病原体分子パターンへの応答（活性酸素の蓄積、MAP キナーゼの活性化、カルスの蓄積、防御遺伝子群の活性化、植物免疫関連タンパク質の安定性）の変化を詳細に解析して、植物免疫の全体像を得る。また、ロングリードシークエンサーを用いて、各種病原体のゲノム・トランスクリプトームをおこない、病原体解析の分子解析基盤確立を推進する。高度に保存され感染時に発現している分泌性の小型タンパク質（コアエフェクター候補）については、GFP 等のタグを付け、ベンサミアーナタバコにおける発現をおこない、その機能を詳細に解析する。候補タンパク質をコードする遺伝子については、ゲノム編集法を用いて、病原体における変異体を作成し、病原性に寄与するかを検証する。また、二次代謝物生合成酵素をコードする遺伝子に関しては、その変異体をゲノム編集を用いて作成し、病原性に関与するか解析する。

研究成果

• [国際共同研究] マックスプランク研究所(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: マックスプランク研究所
• [国際共同研究] セインズベリー研究所(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: セインズベリー研究所
• [国際共同研究] カリフォルニア大学デービス校/ミシガン大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: カリフォルニア大学デービス校/ミシガン大学
• [雑誌論文] Oxicam-type NSAIDs enhance Agrobacterium-mediated transformation in plants (2020)
  • 著者名/発表者名: Seung-won Choi, Kie Kumaishi, Reiko Motohashi, Harumi Enoki, Wiluk Chacuttayapong, Tadashi Takamizo, Hiroaki Saika, Masaki Endo, Tetsuya Yamada, Aya Hirose, Nobuya Koizuka, Seisuke Kimura, Yaichi Kawakatsu, Hiroyuki Koga, Emi Ito, Ken Shirasu, Yasunori Ichihashi
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1101/2020.12.15.422982
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Species-specific assembly of root-associated bacterial microbiota mediated by a combination of plant specialized metabolites (2020)
  • 著者名/発表者名: Shimasaki Tomohisa、Masuda Sachiko、Garrido-Oter Ruben、Kawasaki Takashi、Aoki Yuichi、Shibata Arisa、Suda Wataru、Shirasu Ken、Yazaki Kazufumi、Nakano Ryohei Thomas、Sugiyama Akifumi
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1101/2020.09.25.313031
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Quinone perception in plants via leucine-rich-repeat receptor-like kinases (2020)
  • 著者名/発表者名: Laohavisit Anuphon、Wakatake Takanori、Ishihama Nobuaki、Mulvey Hugh、Takizawa Kaori、Suzuki Takamasa、Shirasu Ken
  • 雑誌名: Nature 巻: 587 ページ: 92～97
  • DOI: 10.1038/s41586-020-2655-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] An auxin transport network underlies xylem bridge formation between the hemi-parasitic plant Phtheirospermum japonicum and host Arabidopsis (2020)
  • 著者名/発表者名: Wakatake Takanori、Ogawa Satoshi、Yoshida Satoko、Shirasu Ken
  • 雑誌名: Development 巻: 147 ページ: -
  • DOI: 10.1242/dev.187781
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ethylene signaling mediates host invasion by parasitic plants (2020)
  • 著者名/発表者名: Cui Songkui、Kubota Tomoya、Nishiyama Tomoaki、Ishida Juliane K.、Shigenobu Shuji、Shibata Tomoko F.、Toyoda Atsushi、Hasebe Mitsuyasu、Shirasu Ken、Yoshida Satoko
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 6 ページ: eabc2385～2385
  • DOI: 10.1126/sciadv.abc2385
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Host-parasite tissue adhesion by a secreted type of β-1,4-glucanase in the parasitic plant Phtheirospermum japonicum (2020)
  • 著者名/発表者名: Kurotani Ken-ichi、Wakatake Takanori、Ichihashi Yasunori、Okayasu Koji、Sawai Yu、Ogawa Satoshi、Cui Songkui、Suzuki Takamasa、Shirasu Ken、Notaguchi Michitaka
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 3 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s42003-020-01143-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Cell-cell adhesion in plant grafting is facilitated by β-1,4-glucanases (2020)
  • 著者名/発表者名: Notaguchi Michitaka、Kurotani Ken-ichi、Sato Yoshikatsu、Tabata Ryo、Kawakatsu Yaichi、Okayasu Koji、Sawai Yu、Okada Ryo、Asahina Masashi、Ichihashi Yasunori、Shirasu Ken、Suzuki Takamasa、Niwa Masaki、Higashiyama Tetsuya
  • 雑誌名: Science 巻: 369 ページ: 698～702
  • DOI: 10.1126/science.abc3710
  • 査読あり
• [雑誌論文] Oxicam-type nonsteroidal anti-inflammatory drugs inhibit NPR1-mediated salicylic acid pathway (2020)
  • 著者名/発表者名: Ishihama Nobuaki、Choi Seung-won、Noutoshi Yoshiteru、Saska Ivana、Asai Shuta、Takizawa Kaori、He Sheng Yang、Osada Hiroyuki、Shirasu Ken
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1101/2020.09.25.311100
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A pair of effectors encoded on a conditionally dispensable chromosome of Fusarium oxysporum suppress host-specific immunity (2020)
  • 著者名/発表者名: Ayukawa Yu、Asai Shuta、Gan Pamela、Tsushima Ayako、Ichihashi Yasunori、Shibata Arisa、Komatsu Ken、Houterman Petra M.、Rep Martijn、Shirasu Ken、Arie Tsutomu
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1101/2020.10.06.329052
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Short-Term Magnesium Deficiency Triggers Nutrient Retranslocation in Arabidopsis thaliana (2020)
  • 著者名/発表者名: Ogura Takaaki、Kobayashi Natsuko I.、Hermans Christian、Ichihashi Yasunori、Shibata Arisa、Shirasu Ken、Aoki Naohiro、Sugita Ryohei、Ogawa Takahiro、Suzuki Hisashi、Iwata Ren、Nakanishi Tomoko M.、Tanoi Keitaro
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 11 ページ: -
  • DOI: 10.3389/fpls.2020.00563
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] オキシカム系NSAIDsはNPR1を介したサリチル酸情報伝達を阻害する (2021)
  • 著者名/発表者名: 石濱 伸明、崔 勝媛、 能年義輝、 Ivana Saska、 浅井秀太、 瀧澤香、 長田裕之、 白須 賢
  • 学会等名: 令和3年度 日本植物病理学会大会
• [学会発表] Role of the subtilases in the haustorial formation in the parasitic plant Phtheirospermum japonicum (2021)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Ogawa, Takanori Wakatake, Thomas Spallek, Juliane K. Ishida, Ryosuke Sano, Tetsuya Kurata, Taku Demura, Satoko Yoshida, Yasunori Ichihashi, Andreas Schaller, Ken Shirasu
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Identification of secondary metabolite synthesis key genes that are involved in virulence of phytopathogenic fungi using a multiplex gene disruption system (2021)
  • 著者名/発表者名: Naoyoshi Kumakura, Katsuma Yonehara, Pamela Gan, Nobuaki Ishihama, Ken Shirasu
  • 学会等名: 第62回植物生理学会年会
• [学会発表] 植物が他者を認識する分子機構 (2020)
  • 著者名/発表者名: 白須 賢
  • 学会等名: 日本植物学会 第84回大会
• [備考] 植物免疫研究グループ 研究室運営Website
  • URL: http://plantimmunity.riken.jp/index_ja.html
• [産業財産権] 病原ゲノミクスによるフザリウム菌土壌診断法 (2020)
  • 発明者名: 浅井秀太、ガン・パメラ、増田幸子、鮎川侑、白須賢
  • 権利者名: 浅井秀太、ガン・パメラ、増田幸子、鮎川侑、白須賢
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2020-188346