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。PRRの細胞外ドメインとしては、LRR (leucine-rich repeat)やLysM (lysine rich motif)などが知られています。さらに、PRR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)と呼ばれ 、持たないものは、Receptor-like protein (RLP)と呼ばれています。PRRがPAMPs/MAMPsを検出して誘導する免疫応答は、パターン誘導性免疫 (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、細胞質に存在する病原菌認識受容体は、核酸結合部位(NB: Nucleotide Binding)とLRRをもち、NB-LRR型免疫受容体と呼ばれています。 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。NB-LRR型受容体は、病原菌が植物の免疫応答を阻害するために分泌するエフェクターと総称されるタンパク質を検出し、 免疫応答を誘導することが知られています（エフェクター誘導性免疫）。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するシステムは異なっていることが知られています。

　PRRによるPAMP認識に伴って、抗菌性タンパク質の生成やカロースによる細胞壁の強化など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ると考えられています。しかし、MAPKカスケードの活性化機構およびMAPKを介した免役誘導機構はあまりわかっていません。 一方、NB-LRR型受容体によって誘導されるエフェクター誘導性免疫は、多くの場合、細胞死を伴う強い抵抗性反応を誘導します。古くから耐病性育種のため、 病気に対して強い耐性を付与する抵抗性遺伝子座が遺伝学的に同定され、育種素材の母本として使用されてきましたが、現在では、 それらの抵抗性遺伝子座の多くがNB-LRR型受容体をコードしていることが明らかになっています。 しかし、NB-LRR型受容体がどのように免疫反応を誘導しているかについてはあまり理解されていません。

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研究内容

1)植物のパターン誘導性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、 キチンと結合するRLPとしてCEBiPが同定され、PGNを認識するRLPとしてLYP4/LYP6が報告されています。これらのRLPがキチン/PGNを認識すると、 RLK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月号で報告しましたが(Yamaguchi et al 2013)、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てもらいました。
　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にリン酸化を受け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保存された キチン信号伝達経路が存在することが明らかになりました（図２）。本研究は、明治大・渋谷研との共同研究で行われました(Shinya and Yamaguchi et al. Plant J 2014)。 現在は、キチン認識機構と細胞内免疫シグナルの活性化機構の全貌解明に向け、PBL27を中心に、CERK1複合体の 構成因子の機能解析を進めています。


２）病原菌エフェクターを利用した植物免疫因子の同定と機能解析

　病原菌は、自身のタンパク質（以下、エフェクター）を植物の細胞内に送り込み、植物の免疫応答を阻害します。 エフェクターを植物細胞内で発現させると、植物の免疫応答が強く阻害されることから、エフェクターは免疫誘導に重要なタンパク質 の働きを阻害していると考えられます。そこで、我々は、イネの重要病害である白葉枯病菌のエフェクターを利用して、 それらが標的と する植物免疫因子を探索することで、植物免疫において重要な働きをもつタンパク質を同定しています。さらに、同定した植物免疫因子 の機能を解析することで、植物免疫の信号伝達系を明らかにしています。
　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の因子を探索し、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、XopYやXopPを含む白葉枯病菌エフェクターの機能解析を進めるとともに、OsPUB44の相互作用因子の単離によってOsPUB44を 介した免役誘導系の解析を行っています。


３）植物のエフェクター誘導性免疫の分子機構の解明

　　NB-LRR型受容体は、エフェクターを認識することにより、強い抵抗性反応を誘導しますが、その分子機構はあまり明らかになっていません。 イネ白葉枯病菌の抵抗性遺伝子Xa1は、NB-LRR型受容体ですが (Yoshimura et al. PNAS 1998)、どのようなエフェクターを認識し、どのように免疫応答を誘導 しているかについては明らかになっていません。そこで、Xa1を制御する白葉枯病菌のエフェクターおよびXa1と相互作用するイネ免疫因子の解析を進めており、 Xa1を介した免役誘導機構の全貌を明らかにすることを目指して研究しています。


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、OsRLCK185やPBL27がMAPKカスケード の活性化を制御していることがわかりました。現在、OsRLCK185やPBL27が直接相互作用するMAPKKKを同定し、その解析を通じて、RLCKファミリーによるMAPK カスケードの活性化機構を解明することを目指しています。


５) 植物免疫誘導あるいは病原菌の病原性を抑制する物質の探索と解析 　

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。


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。

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