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筑波大学連携大学院 生命環境科学研究科
生物機能科学専攻 生命機能情報工学領域
分子情報解析学講座

独立行政法人 農業生物資源研究所 耐病性研究ユニット

ユニット長・連携大学院教授：高辻博志 
上級研究員：川崎信二*、林　長生*
主任研究員：姜　昌杰、菅野正治、森　昌樹*
研究員：高橋　章*、井上晴彦 
特別研究員等：中山　明、霜野真幸、夏木　潤、福島説子、松下　茜 
*連携大学院に直接関わらない。

（連絡先）
所在地：茨城県つくば市観音台2-1-2
電話：029-838-8383
e-mail:takatsuh@nias.affrc.go.jp　（高辻）

（以下の内容は連携大学院関連のみ）

＜ 研究の概要 ＞

植物はいかに病原菌感染を認識してすばやく抵抗性反応を起こすか、病原体は植物の監視機構をいかにかいくぐって感染・増殖するか、植物と病原体の進化の歴史の中で両者は常にこのような戦いを続けてきたと考えられます。近年の研究により、植物は潜在的に優れた病害抵抗性機構をもっていることがわかってきました。しかしながら、多くの場合、病原体はこの仕組みをかいくぐる手段をもっているために植物は病気になります。別の見方をすると、病原体の戦略により植物は本来の抵抗性の能力を発揮できず、能力が潜在化してしまっていると考えられます。benzothiazole（BTH）など、植物抵抗性誘導剤（plant activator）と呼ばれる薬剤は、植物のこのような潜在能力を引き出し、多くの種類の植物に様々な種類の病害に対する抵抗性を発揮させる作用を示します（誘導抵抗性）。私たちは、BTHの作用において、中心的な役割を果たすイネの転写因子WRKY45（ワーキー45と読む）を見出しました。WRKY45は数百もの抵抗性遺伝子の発現を制御することによってイネに抵抗性反応を発動させます。そのため、WRKY45の遺伝子を過剰発現するイネは、いもち病および白葉枯病に極めて強い抵抗性を示します。しかも転写因子の過剰発現には生育阻害がつきものですが、WRKY45の場合はそれが小さい、という優れた性質を示します。分子生物学的解析の結果、WRKY45のこのような優れた機能の背後には、巧みなシグナル伝達機構が存在することが徐々に明らかになりつつあります。WRKY45がその効果を担っている薬剤BTHは、単子葉植物・双子葉植物を問わず、ほとんどすべての植物において多種の病原体に防除効果を示します。したがってWRKY45の機能の利用は、イネのみにとどまるものではなく、イネ科を中心とする食料やバイオマスの病害防除による増産をはじめ、広い用途が考えられます。当研究室では、上記のWRKY45の活性発現を制御するシグナル伝達機構やWRKY45に制御されておこる抵抗性反応の実体をさらに深く解明し、それらの知見を利用してWRKY45の機能をイネ科作物に最大限に利用する方法を開発することを目指しています。

抵抗性シグナリング
植物と病原体の戦い：
病原体の感染が植物に認識されると、サリチル酸（SA）などのシグナル物質を介するシグナル伝達を経て抵抗性反応を担う遺伝子の転写制御が起こる。病原体の戦略によりシグナル伝達がブロックされると植物は病気になる。
WRKY過剰発現イネ
WRKY45を過剰発現させたイネはいもち病（かび病）と白葉枯病（細菌病）に極めて強い抵抗性を示す。
イネvsナズナ
イネはシロイヌナズナとは異なるSAシグナル伝達経路をもつ。

シロイヌナズナ：
SAの下流の遺伝子は99％以上NPR1によって制御されている。

イネ：
WRKY45とNPR1（OsNPR1）の経路に分かれている。WRKY45とOsNPR1のそれぞれに制御されている下流遺伝子にはほとんどオーバーラップがなく、２つのシグナル伝達経路は明瞭に機能分担している。

＜ 主要研究テーマ ＞

  1. WRKY45下流の転写制御カスケードおよび抵抗性反応の解明。
  2. WRKY45遺伝子の転写活性化に関わるサリチル酸シグナル伝達経路の解明。
  3. 新しい手法（FOXハンティング）による、WRKY45の発現制御やサリチル酸シグナル伝達経路に関わる新規遺伝子の探索。
  4. WRKY45の転写後制御およびそれに関わる植物ホルモンを介したシグナル伝達の解明。
  5. WRKY45を負に制御する病原体の戦略の解明。
  6. WRKY45を利用した耐病性イネ科植物の開発。

（病害抵抗性以外の研究）

▼　　RNA依存性DNAメチル化によるエピジェネティック転写活性化機構の解明
当研究室では、RNA依存性DNAメチル化（RdDM）を介する分子機構によって、ペチュニアの花のホメオティック遺伝子pMADS3の転写が活性化する現象を見出しました。RdDMが遺伝子サイレンシングに関与することは知られていましたが、遺伝子サイレンシングとは逆に、転写の活性化を誘導したという現象は前例がありません。pMADS3の第２イントロン中の１カ所のシトシンのメチル化が原因であるところまではつき止めましたが、それがなぜ転写活性化に至るかという部分は未解明です。このような制御が生物学的にどのような意味をもつのかを解明したいと考えています。また、この転写制御はDNAメチル化によってゲノム上に記憶され、組換え遺伝子の分離後も形質が残るため、非遺伝子組換えによる植物の形質改良法に発展する可能性

＜ 研究成果 ＞

（原著論文）

Shimono, M., Sugano, S., Nakayama, A., Jiang, C.-J., Ono, K., Toki, S., and Takatsuji, H. (2007). Rice WRKY45 plays a crucial role in benzothiadiazole-inducible blast resistance. Plant Cell online published

Kubo, K., and Takatsuji, H. (2007). Transgene-dependent incompatibility induced by introduction of the SK2:ZPT2-10 chimeric gene in petunia. Transgenic research 16, 85-97.

Kapoor, S. and Takatsuji, H. (2006). Silencing of an anther-specific zinc-finger gene, MEZ1, causes aberrant meiosis and pollen abortion in petunia. Plant Mol. Biol. 61, 415-430.

Kapoor, M., Baba, A., Kubo, K., Shibuya, K., Matsui, K., Tanaka, Y., and Takatsuji, H. (2005). Transgene-triggered, epigenetically regulated ectopic expression of a flower homeotic gene pMADS3 in Petunia. Plant J. 43, 649-661. Pubmed

Nakagawa, H., Jiang, C.J., Sakakibara, H., Kojima, M., Honda, I., Ajisaka, H., Nishijima, T., Koshioka, M., Homma, T., Mander, L.N., and Takatsuji, H. (2005). Overexpression of a petunia zinc-finger gene alters cytokinin metabolism and plant forms. Plant J. 41, 512-523. Pubmed

Nakagawa, H., Ferrario, S., Angenent, G.C., Kobayashi, A., and Takatsuji, H. (2004). The Petunia ortholog of Arabidopsis SUPERMAN plays a distinct role in floral organ morphogenesis. Plant Cell 16, 920-932. Pubmed

Sugano, S., Kaminaka, H., Rybka, Z., Catala, R., Salinas, J., Matsui, K., Ohme-Takagi, M., Rybka, Z., and Takatsuji, H. (2003). Stress-responsive zinc finger gene ZPT2-3 plays a role in drought tolerance in petunia. Pl ant J. 36, 830-841. Pubmed

Hatta, T., Kato, E., Takatsuji, H., and Yamazaki, T. (2003). Unique DNA recognition mode of the plant zinc finger protein ZPT2-2. Peptide Science 2002, 61-64.

Kapoor, S., Kobayashi, A., and Takatsuji, H. (2002). Silencing of the tapetum-specific zinc finger gene TAZ1 causes premature degeneration of tapetum and pollen abortion in petunia. Plant Cell 14, 2353-2367. Pubmed

Kapoor, M., Tsuda, S., Tanaka, Y., Mayama, T., Okuyama, Y., Tsuchimoto, S., and Takatsuji, H. (2002). Role of petunia pMADS3 in determination of floral organ and meristem identity, as revealed by its loss of function. Plant J. 32, 115-127. Pubmed

Agarie, S., Kai, M., Takatsuji, H., and Ueno, O. (2002). Environmental and hormonal regulation of gene expression of C4 photosynthetic enzymes in the amphibious sedge Eleocharis vivipara. Plant Sci. 163, 571-580.

Yoshioka, K., Fukushima, S., Yamazaki, T., Yoshida, M., and Takatsuji, H. (2001). The plant zinc-finger protein ZPT2-2 has a unique mode of DNA interaction. J. Biol. Chem. 276, 35802-35807. Pubmed

Kubo, K., Kanno, Y., Nishino, T., and Takatsuji, H. (2000). Zinc-finger genes that specifically express in pistil secretory tissues of petunia. Plant Cell Physiol. 41. Pubmed

van der Krol, A.R., van Poecke, R.M., Vorst, O.F., Voogt, C., van Leeuwen, W., Borst-Vrensen, T.W., Takatsuji, H., and van Der Plas, L.H. (1999). Developmental and Wound-, Cold-, Desiccation-, Ultraviolet-B-Stress- Induced Modulations in the Expression of the Petunia Zinc Finger Transcription Factor Gene ZPT2-2. Plant Physiol. 121, 1153-1162. Pubmed

Kobayashi, A., Sakamoto, A., Kubo, K., Rybka, Z., Kanno, Y., and Takatsuji, H. (1998). Seven zinc-finger transcription factors are expressed sequentially during the development of anthers in petunia. Plant J. 13, 571-576. Pubmed

Kubo, K., Sakamoto, A., Kobayashi, A., Rybka, Z., Kanno, Y., Nakagawa, H., Nishino, T., and Takatsuji, H. (1998). Cys2/His2 zinc-finger protein family of petunia: evolution and general mechanism of target-sequence recognition. Nucleic Acids Res. 26, 608-616. Pubmed

Agarie, S., Kai, M., Takatsuji, H., and Ueno, O. (1997). Expression of C3 and C4 photosynthetic characteristics in the amphibious plant Eleocharis vivipara: structure and analysis of the expression of isogenes for pyruvate, orthophosphate dikinase. Plant Mol. Biol. 34, 363-369.

Takatsuji, H., and Matsumoto, T. (1996). Target-sequence recognition by separate-type Cys2/His2 zinc finger proteins in plants. J. Biol. Chem. 271, 23368-23373. Pubmed

Takatsuji, H. (1996). A single amino acid determines the specificity for the target sequence of two zinc-finger proteins in plants. Biochem. Biophys. Res. Commun. 224, 219-223. Pubmed

（総説）

Takatsuji, H. (1999). Zinc-finger proteins: the classical zinc finger emerges in contemporary plant science. Plant Mol. Biol. 39, 1073-1078.

Takatsuji, H. (1998). Zinc-finger transcription factors in plants. Cell. Mol. Life Sci. 54, 582-596. Pubmed

（特許）

  1. 遺伝子導入によって内在性遺伝子を活性化する方法　特願2006-245164
  2. 転写因子遺伝子の導入による植物の病害抵抗性の改良　特願2005-154731
  3. 遺伝子導入による植物の交雑特性の改変　特願2004-301043
  4. 乾燥耐性が高められた植物の作出における、ＺＰＴ２−３ジンクフィンガー型転写因子の利用　特願2003-311535　特開2005-73669
  5. 雌しべの各組織に特異的な活性を有するプロモーター およびその利用　特願2000-620081 特許登録第775138号（豪）他
  6. ＭＡＤＳボックス遺伝子を標的とした植物の花型の改良　特願2000-330642　特開2002-125684　花粉特異的ジンクフィンガー転写因子の遺伝子を用いて花粉稔性を低下させる方法　特願11-330681　特許第6,989,473（米）他
  7. タペート層特異的ジンクフィンガー転写因子の遺伝子を用いて花粉稔性を低下させる方法　特願11-330680 特許第779285（豪）他
  8. ペチュニアの転写因子PetSPL２の遺伝子の導入によって花序の節間を短縮させる方法　特願10-224852　特許第3357907号　出願日：平成10年８月７日
  9. 植物の形態を変化させる転写因子の遺伝子およびその利用　特願10-65921　特許第3054694号
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