近畿大学農学部
生物機能科学科
植物分子遺伝子研究室

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研究内容

植物の免疫機構の概要

植物は、病原菌認識受容体(病原菌認識センサー) をもち、病原菌の感染を検出して迅速な防御応答を誘導します。このような受容体を介した防御反応の誘導機構は、 動物の先天性自然免疫と非常によく似ているため、近年、「植物免疫 (Plant Immunity)」と呼ばれています。

病原菌認識受容体は、構造的特徴から大きく2種類、細胞膜局在型と細胞内に存在するNB-LRR型(詳細は後述)に分けられます(図1)。 細胞膜に存在する受容体は、パターン認識受容体(Pattern Recognition Receptor (PRR))と呼ばれ、細胞外に病原菌/微生物の構成成分(PAMP/MAMP: Pathogen/Microbe-Associated Molecular Pattern)を検出するドメインを持ちます。パターン認識受容体の細胞外ドメインとしては、LRR (leucine-rich repeat)やLysM (lysin-rich motif)などが知られています。さらに、パターン認識受容体の細胞内ドメインにプロティンキナーゼドメインを持つものは、Receptor-like kinase(RLK:受容体型キナーゼ)と呼ばれ 、持たないものは、Receptor-like protein (RLP:受容体型タンパク質)と呼ばれています。パターン認識受容体がPAMPs/MAMPsを検出して誘導する免疫応答は、パターン誘導免疫 (Pattern-triggered immunity)と呼ばれています。 病原菌のPAMPsとしては、細菌のべん毛タンパク質やペプチドグリカン、真菌のキチンがよく研究されています。

一方、病原菌は、植物のパターン誘導免疫を阻害するため、植物の細胞内にエフェクターと総称されるタンパク質を分泌します。エフェクターは、パターン認識受容体など、主要な免疫因子の活性を阻害することが知られています。図1では、一部の細菌がエフェクターを分泌するために使用する Type III分泌システムを示していますが、 病原菌(細菌、真菌、卵菌など)の種類によって分泌システムは異なっています。

耐病性育種では、古くから、病原体に対して強い抵抗性を誘導する病害抵抗性遺伝子座が広く利用されてきました。この病害抵抗性遺伝子座がコードするタンパク質の多くは、NB-LRR受容体であり、1,990年代中頃から、病害抵抗性遺伝子として、多数のNB-LRR受容体が同定されています。ここ20年の研究により、NB-LRR受容体は、病原菌エフェクターを認識し、強い免疫反応を誘導する受容体であることが明らかになってきました(エフェクター誘導免疫)。また、植物は非常に多くのNB-LRR遺伝子を持つことから(イネは500遺伝子)、NB-LRR型受容体が病害抵抗性の獲得において中心的な役割を果たしてきたと考えられます。NB-LRR受容体は、核酸結合部位(NB: Nucleotide Binding)とロイシンの繰り返し配列をもつ部位(LRR: Leucine-rich repeats)から構成されています。NBドメインはATPase活性をもち、LRRは、多くの場合、エフェクター結合ドメインとして働きます。動物では、NBドメインはNod (Nucleotide oligomerization domain)と呼ばれていますが、近年では、NLR (NB:NOD-like receptor)と総称されることが 多くなりました。しかし、NB-LRR受容体がどのように免疫を活性化しているかについては、殆ど解明されていません。

パターン認識受容体によるPAMP認識やNB-LRR受容体によるエフェクター認識に伴って、様々な防御反応が誘導されます。 これらの防御反応を誘導する信号伝達において、MAPキナーゼカスケード(MAPKKK、MAPKK、MAPKの3つのリン酸化酵素から成る信号伝達経路) が主要な役割を果たしています(図2)。MAPKは、様々な転写因子をリン酸化することで、免疫に関わる多くの遺伝子の発現を制御していることが知られています。当研究室では、このような免疫誘導機構について研究を進めています。

研究内容

1)植物のパターン誘導免疫の分子機構の解明

細胞膜上に存在するパターン認識受容体(PRR)は、PAMPsを認識して細胞内に防御反応を誘導することが知られていますが、その詳細は明らかになっていません。 我々は、真菌のPAMPであるキチンや病原細菌のPAMPであるペプチドグリカン(PGN)の認識によって誘導される免疫系をモデルとして研究を進めています。これまでに、 イネでは、キチンと結合する受容体型タンパク質であるCEBiPと、PGNを認識する受容体型タンパク質であるLYP4/LYP6が同定されています。これらの受容体型タンパク質がキチン/PGNを認識すると、 受容体型キナーゼであるOsCERK1と複合体を形成し、それが引き金となって細胞内に防御反応が誘導されることが知られています。我々は、これまでにReceptor-like cytoplasmic kinase (RLCK)ファミリーに属するOsRLCK185を単離し、OsRLCK185がOsCERK1の細胞内キナーゼドメインと相互作用すること、さらにキチン認識に 伴ってOsCERK1がOsRLCK185をリン酸化することを明らかにしました(図2)。また、OsRLCK185発現抑制体では、キチンおよびPGNによって誘導される防御反応が抑制されることから、OsRLCK185がPGNとキチンの認識に関わるOsCERK1の信号伝達系で働いていることが明らかになりました。本成果は、Cell Host & Microbe 2013年3月号に報告しました(Yamaguchi et al 2013)。本成果は、掲載号のFeatured Articleに選ばれ、国内でも多くのメディアに取り上げられました。さらに、OsRLCK185のシロイヌナズナホモログとしてPBL27を単離しました。 PBL27もCERK1と結合し、キチン認識に伴って、CERK1からリン酸化されることが明らかとなり、単子葉であるイネと双子葉であるシロイヌナズナの間で、キチン信号伝達経路が保存されていることが明らかになりました(図2)(Shinya & Yamaguchi et al. Plant J 2014; Yamada & Yamaguchi et al. Plant Cell Physiol. 2017)。
 また、我々はパターン誘導免疫に関わるユビキチンリガーゼOsPUB44を同定しました (Ishikawa et al. Nature Communications 2014)。さらに、OsPUB44と相互作用する新規な免疫因子としてPBI1を発見し、現在、PBI1を介した新規な免疫システムについて、研究を進めています。

2) 病原菌エフェクターによる感染戦略の分子機構の解明

病原菌は、エフェクターと総称されるタンパク質を植物の細胞内に送り込み、様々な植物免疫因子を阻害することで、免疫応答を阻害しています。つまり、 エフェクターは、病害を引き起こす最強の病原性因子であると言えます。そのため、当研究室では、病原菌エフェクターが、どのように植物細胞内で働いているかを研究しています。さらに、このような病原菌の感染戦略を理解することで、新規な病害防除法の開発を目指しています。。
これまでに、我々は、イネの白葉枯病菌のエフェクターXopY (Xoo1488)が標的としているイネ因子を探索し、OsRLCK185を単離しました (図3)。解析の結果、XopYは、CERK1によるOsRLCK185のリン酸化を阻害することが明らかになりました (Yamaguchi et al. Cell Host Microbe 2013)。さらに、イネの白葉枯病菌のエフェクターXopP(Xoo3222)を解析し 、相互作用因子としてOsPUB44を同定しました。OsPUB44は、U-boxドメインをもつユビキチンE3リガーゼであり、 免疫応答のポジティブレギュレーターとして機能していることがわかりました。さらに、XopPはOsPUB44のU-boxに結合することで、 リガーゼ活性を阻害し、免疫応答を抑制していることが明らかになりました。本成果は、Nature Communicationsに発表し、 国内においても多くのメディアに取り上げられました。現在、白葉枯病菌の機能未知なエフェクターに関して、標的因子を同定し、その機能解析を進めています。
また、白葉枯病菌がもつTAL(Transcription Activator-Like)エフェクターは、反復配列により構成される特殊なDNA結合ドメインをもち(図4A)、植物の核に移行して、転写因子として働くことが知られています。このDNA結合ドメインの利用により、任意の塩基配列に結合するタンパク質が人工的に構築できるため、ゲノム編集技術として広く利用されています(TALEN技術)。白葉枯病菌のTALエフェクターはイネの糖輸送体遺伝子(SWEETと呼ばれる)のプロモーター領域に結合し、転写を促進することで、細胞膜に存在する糖輸送体の量を増加させることが知られています。このような糖輸送体の増加は、細胞内からアポプラストに放出される糖の量を増加させ、それを栄養源とする細菌の増殖に有利に働くと考えられています(図4B)。当研究室では、TALエフェクターがどのように植物の転写制御システムをハイジャックしているのかを明らかにするため、研究を進めています。

3)植物のエフェクター誘導免疫の分子機構の解明

上述のように、NB-LRR受容体は、従来の耐病性育種において実用的に利用されてきた遺伝子であり、かつNB-LRR受容体が、細菌、真菌、ウイルス、ウンカ、線虫、ヨコバイ、アブラムシなど多様な病害虫を認識することから、植物免疫研究において非常に重要な遺伝子です。しかし、NB-LRR受容体がどのように免疫を活性化しているかについては、全く理解されておらず、植物免疫研究のブラックボックスになっています。
イネ白葉枯病菌の抵抗性遺伝子Xa1は、NB-LRR型受容体です (Yoshimura et al. PNAS 1998)。最近、Xa1が白葉枯病菌のTALエフェクターを認識することで強い免疫反応を誘導することが明らかになりました。当研究室では、Xa1が相互作用する植物因子を同定し、Xa1がどのようにTALエフェクターを認識し、どのように免疫を活性化しているかについて研究を進めています。本解析により、今まで未解明だったNB-LRR受容体による免疫誘導機構の解明を目指しています。

4)植物免疫におけるMAPキナーゼカスケードの活性化機構の解析

植物免疫の初期応答において、MAPキナーゼ(MAPK)カスケードが活性化されることがよく知られています。しかし、受容体の下流で、 どのようにMAPKカスケードが活性化されるかについては全く明らかになっていません。上記のOsRLCK185やPBL27の解析により、パターン認識受容体からMAPKカスケードの活性化に至る信号伝達を世界で初めて明らかにし、それらの成果をEMBO J誌(Yamada and Yamaguchi et al. 2016)やPlant Cell Physiol誌(Yamada and Yamaguchi et al. 2017)に発表しました。EMBO J誌の内容は国内のメディアに取り上げられるとともに、Nature Plants誌やScience Signaling誌において紹介されました(研究業績参照)。また、Plant Cell Physiol誌の論文は、Editor's Choice Articleに選ばれました(研究業績参照)。

5)植物免疫誘導あるいは病原菌の病原性を抑制する化合物の探索と解析

植物免疫研究によって得られた基礎的知見をもとに、新しいタイプの農薬を探索するためのスクリーニング系を構築し 、植物免疫を誘導する様々な化合物や、 病原菌の病原性のみを抑制する化合物など、環境にやさしい農薬の開発を目指した研究を行っています。現在、病原細菌の病原性を抑制する候補化合物が得られており、環境にやさしい農薬のシーズとして利用されることを期待しています。

6)環境にやさしい耐病性技術の開発

免疫反応において、抗菌性物質の蓄積、活性酸素生成、カロースの形成、病原菌を分解する酵素の発現など、 様々な防御システムが活性化されますが、それらの始点となるのは病原菌認識です。我々は、病原菌認識機構およびそれに 続く信号伝達機構の基礎研究およびその理解を通して、このような多面的な防御反応を協調的に誘導できる耐病性技術の構築を 目指しています。近年、シロイヌナズナやイネで得られた遺伝子あるいは情報を、他の植物・作物に応用する 「Translational Research」が実現していますが、 我々の研究成果が応用技術として、食糧生産やエネルギー生産に貢献できることを期待しています。