2022年8月18日
理化研究所 奈良尖端科学技术研究生院大学
寄生植物接近宿主机制的阐明-期待开发防止病害寄生杂草造成农业损害的方法-
释放出独角金内酯，向水稻根伸出根的松蒿
背景
寄生植物是寄生于其他植物(宿主植物)，剥夺营养和水而生存的植物。 如果寄生在作物上，会大幅减少产量。 特别是，独角金和列当等列当科的根寄生植物寄生在世界各地的主要谷物上，每年造成数十亿美元农业损失，这是食品安全保障上的威胁。 在日本，寄生于豆科植物等的小列当的生存区域也在扩大，其对农业的影响令人担忧。 但是，尚未确立对这些寄生植物的有效防治措施。 为了找到应对这种威胁的对策，从分子水平上理解寄生机制也很重要。 寄生植物寄生在宿主中包括以下几个步骤:①在宿主附近发芽；②使自身的根接近宿主；③入侵宿主。 其中，已经明确了①是识别宿主释放的独角金内酯( SL )等物质，③是识别宿主来源的乙烯和醌等物质来进行的，但关于②的弯曲性现象，尚未进行分析。
研究方法和成果
国际联合研究小组着眼于列当科寄生植物松蒿。 松蒿在没有宿主的情况下也能生存，即使没有SL也能发芽。 尽管如此，在松蒿的基因组上存在多个识别SL的候选受体[7]，其作用尚不清楚。 因此，我们提出了松蒿将SL用于弯曲性的假说，并进行了寄生实验。 结果发现，与不释放SL的水稻相比，松蒿更倾向于向释放的水稻生根。 并且，确立了评价对化合物的屈服性的实验体系，明确了松蒿对SL及其类似化合物显示出屈服性(图1 )。
图1对SL类似化合物显示出弯曲性的松蒿
将SL的类似化合物(左侧)和DMSO (右侧:溶剂控制)排列后，为了朝向SL类似化合物而改变了根的伸长方向。
一方面，在同属列当科寄生植物的独角金中也发现了对SL的抗性，另一方面，在同属列当科但不具有寄生能力的林登贝吉亚植物和十字花科的拟南芥等非寄生植物中没有发现，这表明这是列当科寄生植物独自制定的战略 。另外，与SL相同，对于具有内酯(环状酯)结构的化合物OH和OH，OH和OH都没有显示出弯曲性，表明OH和OH对SL显示出特异性弯曲性。 众所周知，植物激素生长素与重力性等植物的屈曲性有关。 因此，在观察松蒿根中的生长素响应和生长素运输时，发现SL处理会引起左右不对称的生长素运输，导致左右不对称的生长素响应会引起弯曲性(图2左)。 另外，这种左右不对称的生长素响应，进而对SL的弯曲性，被铵离子所抑制(图2右)。
图2在不存在铵离子情况下显示左右不对称的生长素响应的松蒿
将响应生长素应答而显示荧光的基因导入到松蒿中，观察了荧光。 向松蒿左侧滴加SL，观察其对生长素应答的影响。 在没有铵离子的条件(左)下，SL处理显示左右不对称的生长素响应(左下圆内)，但在铵离子存在下(右)消失。 光栅尺表示100微米( μm，1μm为千分之一mm )。 另外，使识别SL的7个候选受体分别在拟南芥植物体内表达并分析其功能时，发现至少有两个受体作为识别外部SL的受体发挥作用。 抑制了这个受体的功能，结果抑制了对SL的弯曲性。 以上结果揭示了列当科寄生植物中SL介导的宿主弯曲机制。
今後の期待
此次，证实了列当科的寄生植物识别并接近宿主的SL。 寄主抗弯性是寄生植物成功寄生的重要步骤，此次研究有望为今后研究寄生植物抗弯性奠定重要基础。 另外，这将有助于开发高效抑制弯曲性、阻碍宿主寄生的方法，有望为消除寄生植物对农业的损害做出贡献。 此次研究成果有望为联合国2016年发行的17个“可持续发展目标( SDGs ) [8]”中的“2 .杜绝饥饿”、“3 .为所有人健康和福利”以及“15 .也保护陆地的富裕”做出贡献。
补充说明
1 .根寄生植物 与其他植物(宿主)自身连接，夺取营养和水而生存的植物(寄生植物)中，寄生于宿主根的植物。 2 .屈曲性 生物对外界刺激作出反应使器官生长或旋转的现象。 包括对重力反应的重力屈曲性、对光反应的光屈曲性、对特定物质反应的化学屈曲性、对宿主反应的宿主屈曲性等。 3 . 松蒿
学名Phtheirospermum japonicum。 为生存不一定需要宿主的列当科条件性寄生植物，日本原生。 在实验室环境下无宿主也能萌发、生长，基因组已被破译，适合作为模型寄生植物。 4 .独角金内酯( SL ) 植物产生的低分子化合物，具有内酯结构。 释放到土壤中后，会诱导与植物共生的共生菌。 另一方面，寄生植物的撞针等劫持SL信号，用于自身的寄生。 SL是不稳定的化合物，在土壤中容易分解，而且死了的植物不释放SL，所以SL的存在成为“活植物在附近”的指标。 SL是strigolactone的缩写。 5 .植物激素 植物制造，微量且引起生理反应的物质。 参与生长和防御反应等各种生理作用的调控。 生长素、细胞分裂素、乙烯等。 6 .铵离子 化学式NH4+。 对于植物来说是重要的氮源，但过剩的铵离子也会有毒。 7 .受体 接收激素等信号分子，传递信息的蛋白质。 8 .可持续发展目标( SDGs ) 2015年9月联合国峰会通过的《可持续发展2030议程》所载2016-2030年国际目标。 由为了实现可持续世界的17个终点、169个目标构成，不仅是发展中国家，还是发达国家自身致力于的通用(普遍)的东西，日本也在积极地努力(从外务省主页进行了一部分改变后转载)。
国际联合研究组
理化研究所环境资源科学研究中心植物免疫研究组 访问研究员小川哲史 (日本学术振兴会特别研究员PD ) 集团总监白须贤(西拉肯) (环境资源科学研究中心副中心主任) 奈良尖端科学技术大学院大学尖端科学技术研究科生物科学领域 教授吉田聪子(吉田聪子) 助教双子奎( Cui Songkui ) 美国加州大学河滨分校 教授大卫纳尔逊( David Nelson ) 博士生亚历山大·怀特( Alexandra White )研究支援
本研究基于日本学术振兴会( JSPS )科学研究费资助事业基础研究( s )“植物与病原体攻防中的分子机制(研究代表者:白须贤)”，同基础研究( a )“浮萍中的植物-病原体相互作用(研究代表者:白须贤)”， 同基础研究( b )“负责寄生植物寄生器官诱导的新蛋白质的功能阐明(研究代表人:吉田聪子，研究分担人:白须贤)”、 该学术变革领域研究( a )“支持植物对不均匀环境变动的注册的多层信息管理的分子机构(研究领域代表者:松下智直)”的“响应不均匀土壤环境的寄生植物的感染管理机构(研究代表者:吉田聪子，研究分担者:白须贤)”、 该青年研究“elucidating regulatory mechanism of haustorium number using a model parasitic plant system (研究代表者: ツイ・スンクイ )”、 该特别研究员奖励费“寄生植物-宿主间和植物-菌根菌间他人识别的分子机制(研究代表者:小川哲史)”、科学技术振兴机构( JST )战略性创造·研究推进事业的先驱“通过异种植物间网络解析来理解植物间相互作用(研究代表者:吉田聪子)”的支持下进行。
原论文信息
Satoshi Ogawa, Songkui Cui, Alexandra R.F. White, David C. Nelson, Satoko Yoshida, Ken Shirasu, "Strigolactones are chemoattractants for host tropism in Orobanchaceae parasitic plants", Nature Communications, 10.1038/s41467-022-32314-z
理化研究所 环境资源科学研究中心植物免疫研究组 访问研究员小川哲史 (日本学术振兴会特别研究员PD ) 集团总监白须贤 (环境资源科学研究中心副中心主任)
奈良尖端科学技术大学院大学尖端科学技术研究科生物科学领域 教授吉田聪子
助教ツイ・スンクイ
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