植物の嗅覚受容システムの解明

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H02951
• 研究機関: 東京理科大学
• 研究代表者: 有村 源一郎 東京理科大学, 基礎工学部生物工学科, 教授 (60505329)
• 研究分担者: 澤崎 達也 愛媛大学, プロテオサイエンスセンター, 教授 (50314969) ; 松井 健二 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (90199729)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 植物の香り（VOC） / 受容体 / ヒストンアセチル化 / シロイヌナズナ

研究実績の概要

害虫に加害された植物から放出された植物の香り（VOC）には自身の未被害部位や周囲の未被害植物の病害虫耐性を高めることができる。しかし、植物が如何に大気中のVOCを受容し、細胞レベルで防御遺伝子等の活性化に繋げるかの作用機序は未だ解明されていない。そこで本研究では、VOCが結合する植物の生体膜受容体および細胞内因子を特定し、植物のVOC受容の分子システムを明らかにすることを目指した。本研究では、ミントの主要香気成分であるメントールのヒドロキシ基にバリンを縮合させたメントール誘導体（ment-Val）と相互作用するシロイヌナズナの受容体キナーゼ（RLK）をAlphaScreenを用いてスクリーニングした。その結果、Abnormal leaf shape 2 (ALE2) 等の受容体候補が同定された。一方で、ファージディスプレー次世代シークエンス解析から同定されたment-Valと相互作用するペプチド配列をもつタンパク質候補のment-Val結合実験を実施したが、ment-Valと有意に結合するタンパク質の同定には至らなかった。現在、ment-Valと相互作用するRLK候補の過剰発現株およびT-DNA挿入変異株を用いた解析を進めている。
さらに本研究では、オシメンに曝されたシロイヌナズナにおける解析結果から、オシメンに曝された植物ではERF8とERF104などがヒストンアセチル化および転写が亢進されることで、5日間程度防御応答を記憶できることが示唆された。また、シロイヌナズナHAT変異株8系統にオシメンを曝した結果、HAC1/5とHAM1変異株においてERFの発現抑制ならびにアセチル化の低下が認められた。故に、オシメンに曝されたシロイヌナズナでは、HAC1/5およびHAM1を介してERFが活性化され、5日間活性化状態を維持（記憶）できることが示唆された。

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

受容体候補が同定され、実験計画に沿って研究は推進されているため。

今後の研究の推進方策

４種のment-Val相互作用RLKの過剰発現株（T2以上）とT-DNA挿入変異株におけるメントールやオシメンに対する感受性をマーカー遺伝子（PDF1.2等）の発現誘導を評価する。また、これらのVOCに曝された株の細胞内カルシウムおよび膜電位の定量分析を研究協力者であるMaffei教授（トリノ大学）と実施する予定である。また、等温滴定カロリメトリー（ITC）を用いた受容体候補とテルペンリガンドの結合実験も予定している。
さらに、オシメンに曝されたHAT変異株におけるジャスモン酸類とサリチル酸を定量分析することで、HATによる転写制御とホルモン系シグナル伝達系のクロストークを紐解く。ジャスモン酸とエチレン非感受性変異株（coi1、ein2）も利用することで、VOC受容植物における情報伝達の詳細なネットワークを明らかにする。

研究成果

• [国際共同研究] トリノ大学(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: トリノ大学
• [国際共同研究] アッサム農業大学(インド)
  • 国名: インド
  • 外国機関名: アッサム農業大学
• [国際共同研究] チェンマイ大学(タイ)
  • 国名: タイ
  • 外国機関名: チェンマイ大学
• [雑誌論文] An amino acid ester of menthol elicits defense responses in plants (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsuzuki C., Hachisu M., Iwabe R., Nakayama Y., Nonaga Y., Sukegawa S., Horito S., Arimura G.
  • 雑誌名: Plant Molecular Biology 巻: 109 ページ: 523-531
  • DOI: 10.1007/s11103-021-01150-y
  • 査読あり
• [雑誌論文] Phytohormone-dependent plant defense signaling orchestrated by oral bacteria of the herbivore Spodoptera litura (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamasak Y., Sumioka H., Takiguchi M., Uemura T., Kihara Y., Galis I., Shinya T., Arimura G.
  • 雑誌名: New Phytologist 巻: - ページ: in press
  • 査読あり
• [雑誌論文] Making sense of the way plants sense herbivores (2021)
  • 著者名/発表者名: Arimura G.
  • 雑誌名: Trends in Plant Science 巻: 26 ページ: 288-298
  • DOI: 10.1016/j.tplants.2020.11.001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mint companion plants enhance the attraction of the generalist predator Nesidiocoris tenuis according to its experiences of conspecific mint volatiles (2020)
  • 著者名/発表者名: Rim H., Hattori S., Arimura G.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 ページ: 2078
  • DOI: 10.1038/s41598-020-58907-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Evidence that ERF transcriptional regulators serve as possible key molecules for natural variation in defense against herbivores in tall goldenrod (2020)
  • 著者名/発表者名: Takafuji K., Rim H., Kawauchi K., Mujiono K., Shimokawa S., Ando Y., Shiojiri K., Galis I., Arimura G.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 ページ: 5352
  • DOI: 10.1038/s41598-020-62142-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Soy and Arabidopsis receptor-like kinases respond to polysaccharide signals from Spodoptera species and mediate herbivore resistance (2020)
  • 著者名/発表者名: Uemura T., Hachisu M., Desaki Y., Ito A., Hoshino R., SanoY., Nozawa A., Mujiono K., Galis I., Yoshida A., Nemoto K., Miura S., Nishiyama M., Nishiyama C., Horito S., Sawasaki T., Arimura G.
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 3 ページ: 224
  • DOI: 10.1038/s42003-020-0959-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 植物の害虫エリシター認識システムの解明と産業利用イノベーション (2020)
  • 著者名/発表者名: 有村源一郎
  • 雑誌名: バイオサイエンスとインダストリー 巻: 78 ページ: 490-491
• [雑誌論文] 植物香気成分とテルペン誘導体の免疫活性化機能 (2020)
  • 著者名/発表者名: 有村源一郎, 宮永正斗, 八須匡和
  • 雑誌名: Bio Industry 巻: 37 ページ: 10-16
• [雑誌論文] Bioprocessing of agricultural residues as substrates and optimal conditions for phytase production of chestnut mushroom, pholiota adiposa, in solid state fermentation (2020)
  • 著者名/発表者名: Jatuwong K., Kumla J., Suwannarach N., Matsui K., Lumyong S.
  • 雑誌名: Journal of Fungi 巻: 6 ページ: 1-21
  • DOI: 10.3390/jof6040384
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Role of volatiles from the endophytic fungus trichoderma asperelloides psu-p1 in biocontrol potential and in promoting the plant growth of arabidopsis thaliana (2020)
  • 著者名/発表者名: Phoka N., Suwannarach N., Lumyong S., Ito S., Matsui K., Arikit S., Sunpapao A.
  • 雑誌名: Journal of Fungi 巻: 6 ページ: 1-15
  • DOI: 10.3390/jof6040341
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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 T., Ueyama Y., Kitajima S., Ohnishi T., Matsui K.
  • 雑誌名: Journal of Plant Physiology 巻: 252 ページ: 153245
  • DOI: 10.1016/j.jplph.2020.153245
  • 査読あり
• [雑誌論文] Suppressed methionine γ-lyase expression causes hyperaccumulation of s-methylmethionine in soybean seeds (2020)
  • 著者名/発表者名: Teshima T., Yamada N., Yokota Y., Sayama T., Inagaki K., Koeduka T., Uefune M., Ishimoto M., Matsui K.
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: 183 ページ: 943-956
  • DOI: 10.1104/pp.20.00254
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evaluation of antagonistic activity and mechanisms of endophytic yeasts against pathogenic fungi causing economic crop diseases (2020)
  • 著者名/発表者名: Khunnamwong P., Lertwattanasakul N., Jindamorakot S., Suwannarach N., Matsui K., Limtong S.
  • 雑誌名: Folia Microbiologica 巻: 65 ページ: 573-590
  • DOI: 10.1007/s12223-019-00764-6
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Exposure to artificially damaged goldenrod volatiles increases saponins in seeds of field-grown soybean plants (2020)
  • 著者名/発表者名: Shiojiri K., Ozawa R., Yamashita K., Uefune M., Matsui K., Tsukamoto C., Takabayashi J.
  • 雑誌名: Phytochemistry Letters 巻: 36 ページ: 7-10
  • DOI: 10.1016/j.phytol.2020.01.014
  • 査読あり
• [雑誌論文] Determination of volatile organic compounds in the stinkhorn fungus Pseudocolus fusiformis in different stages of fruiting body formation (2020)
  • 著者名/発表者名: Kakumyan P., Suwannarach N., Kumla J., Saichana N., Lumyong S., Matsui K.
  • 雑誌名: Mycoscience 巻: 61 ページ: 65-70
  • DOI: 10.1016/j.myc.2019.11.001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] AirID, a novel proximity biotinylation enzyme, for analysis of protein-protein interactions (2020)
  • 著者名/発表者名: Kido K., Yamanaka S., Nakano S., Motani K., Shinohara S., Nozawa A., Kosako H., Ito S., Sawasaki T..
  • 雑誌名: Elife 巻: 9 ページ: e54983
  • DOI: 10.7554/eLife.54983
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Production of a rabbit monoclonal antibody for highly sensitive detection of citrus mosaic virus and related viruses (2020)
  • 著者名/発表者名: Miyoshi S., Tokunaga S., Ozawa T., Takeda H., Aono M., Miyoshi T., Kishi H., Muraguchi A., Shimizu S.I., Nozawa A., Sawasaki T.
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 15 ページ: e0229196
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0229196
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 植物葉を傷つけるとみどりの香りを急激に生成する仕組みは進化過程でいつどのようにかくとくされたのか (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中萌菜, 大田黒百音, 肥塚崇男, 松井健二
  • 学会等名: 日本農芸化学会2021年度大会
• [学会発表] 担子菌ウシグソヒトヨタケ1-オクテン-3-オール生合成経路及びその生理・生態学的意義の解明 (2021)
  • 著者名/発表者名: 田中萌菜, 大田黒百音, 肥塚崇男, 松井健二
  • 学会等名: 日本農芸化学会2021年度大会
• [学会発表] ミントの香りの動植物における生理機能 (2020)
  • 著者名/発表者名: 有村源一郎
  • 学会等名: 第30回イソプレノイド研究会
• [学会発表] 揮発性テルペンに曝された香り受容植物のエピジェネティクスを介した防御応答機構の解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤本源哉,小野里悠希,樋上智大,坂本卓也,松永幸大,関原明,有村源一郎
  • 学会等名: 第30回イソプレノイド研究会
• [学会発表] Effect of amino acid esters of menthol on induced defense responses in plants (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsuzuki, C., Hachisu M., Nakayama Y, Nonaga Y, Sukegawa S., Horito S., Arimura G.
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Elucidation of epigenetic control mechanism of the defense response in cruciferous plants (2020)
  • 著者名/発表者名: Fujimoto G., Sakamoto T., Matsunaga S., Seki M., Arimura G.
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Functional characterization of symbiotic bacteria existing in the saliva of Spodoptera litura on defense response of Arabidopsis (2020)
  • 著者名/発表者名: Takiguchi M., Uemura T., Sumioka Y., Yamazaki Y., Shinya T., Ivan G., Arimura G.
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
• [学会発表] NPR-mediated immune system in the model monocot plant Brachypodium distachyon (2020)
  • 著者名/発表者名: Suzuki H., Shimizu K., Uemura T., Nozawa A., Desaki Y., Hoshino R., Yoshida A., Abe H., Nishiyama M., Nishiyama C., Sawasaki T., Arimura G.
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Functional analysis of HAK-mediated signal transduction in Arabidopsis plants in response to herbivory (2020)
  • 著者名/発表者名: Sano Y., Morishima M.,Uemura T., Ito A., Hoshino R., Desaki Y., Nozawa A., Sawasaki T., Galis I., Nemoto K., Arimura G.
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
• [学会発表] Characterization of Tetranychus urticae-derived elicitors (tetranins) : their molecular function and response system in host plants (2020)
  • 著者名/発表者名: Tanimura K., Yasuno A., Tanaka M., Wakaya K., Takafuji K., Ida J., Abe H.,, Desaki Y., Arimura G.
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 担子菌ウシグソヒトヨタケ1-オクテン-3-オール生合成経路及びその生理・生態学的意義の解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: 手嶋琢, 府内里紗, 中沢威人, 本田与一, 肥塚崇男, 松井健二
  • 学会等名: 第52回種生物学シンポジウム
• [学会発表] メチオニン γ-リアーゼ遺伝子発現の抑制は大豆種子のS-メチルメチオニン過剰蓄積を引き起こす (2020)
  • 著者名/発表者名: 手嶋琢, 山田直弘, 横田侑子, 佐山貴司, 稲垣賢二, 肥塚崇男, 上船雅義, 石本政男, 松井健二
  • 学会等名: 日本植物学会第84回大会
• [学会発表] 植物組織傷害による急激なみどりの香り生成能はいつ獲得されたのか？ (2020)
  • 著者名/発表者名: 松井健二, 大田黒百音, 田中萌菜, 肥塚崇男
  • 学会等名: 日本植物学会第84回大会
• [備考] 東京理科大学 有村研究室
  • URL: https://www.rs.tus.ac.jp/garimura/
• [備考] 山口大学 松井・肥塚研究室
  • URL: http://web.cc.yamaguchi-u.ac.jp/~matsui/
• [備考] 愛媛大学プロテオサイエンスセンター
  • URL: http://www.pros.ehime-u.ac.jp/section/01.html