イネ転写因子BHLH25はH2O2を感知して複数の病気に対する耐性を付与する
学術的背景
植物は病原体の侵入に直面すると、一連の複雑な防御メカニズムを開始します。その中で、活性酸素種（Reactive Oxygen Species, ROS）は植物の免疫反応において重要な役割を果たします。過酸化水素（H₂O₂）はROSの主要成分として、植物免疫反応の鍵となるシグナル分子と考えられています。しかし、H₂O₂がどのように植物細胞内で感知され、防御シグナルに変換されるのか、特に転写因子がどのように直接H₂O₂を感知し、遺伝子発現を調節するのかは、まだ解明されていない謎です。
これまでの研究では、H₂O₂はタンパク質中のシステイン（Cysteine）およびメチオニン（Methionine）残基を酸化することでタンパク質機能を調節することが示されています。しかし、転写因子がどのように直接H₂O₂を感知し、植物免疫反応を調節するメカニズムについては不明でした。本研究は、イネの転写因子BHLH25がH₂O₂を感知することで植物の多重病害抵抗性を調節するメカニズムを明らかにし、このメカニズムが植物界において普遍的に存在するかどうかを探ることを目的としています。
論文の出所
この研究は、Haicheng Liao、Yu Fang、Junjie Yinら、四川農業大学、スロバキア・ズヴォレン工科大学、日本・帝京大学など、複数の研究機関の科学者たちによって共同で行われました。論文は2025年1月14日にCell Research誌にオンライン掲載され、タイトルは《Rice transcription factor BHLH25 confers resistance to multiple diseases by sensing H₂O₂》です。
研究のプロセスと結果
1. H₂O₂はOsLAC7/28/29を介したリグニン生合成を通じて植物免疫を促進する
研究ではまず、外因性のH₂O₂をイネの根に処理し、H₂O₂がイネのいもち病菌（*Magnaporthe oryzae*）に対する抵抗性を著しく増強することを発見しました。RNAシーケンス解析を通じて、研究者たちはH₂O₂処理によって発現が上昇した1596の遺伝子を特定し、その中でも細胞壁生合成に関連する遺伝子が特に顕著でした。さらに詳しい分析により、3つのリグニン生合成遺伝子（OsLAC7、OsLAC28、OsLAC29）の発現がH₂O₂処理後に著しく上昇することが明らかになりました。
遺伝子ノックアウト（KO）および過剰発現（OE）実験を通じて、研究者たちはOsLAC7/28/29がリグニン生合成と病害抵抗性において重要な役割を果たすことを確認しました。三重ノックアウト株（OsLAC7/28/29-KO）は、リグニン含有量と病害抵抗性が著しく低下し、過剰発現株ではリグニン含有量が高く、病害抵抗性が強くなりました。また、H₂O₂によって誘導される病害抵抗性は、OsLAC7/28/29-KO株で著しく弱まり、H₂O₂がOsLAC7/28/29を介したリグニン生合成を通じて植物免疫を強化することが示されました。
2. OsLAC7/28/29はmiR397bによって制御される
研究者たちはさらに、OsLAC7/28/29の発現がmiR397bによって制御されていることを発見しました。酵母ワンハイブリッドスクリーニングおよびDNAアフィニティ精製実験を通じて、転写因子BHLH25がmiR397bのプロモーターに直接結合し、その発現を抑制することが明らかになりました。BHLH25の過剰発現はmiR397bの発現レベルを著しく低下させ、OsLAC7/28/29の発現を上昇させました。逆に、BHLH25のノックアウトはmiR397bの発現を増加させ、OsLAC7/28/29の発現を低下させました。
3. BHLH25はmiR397bを介してリグニン生合成と病害抵抗性を調節する
BHLH25の過剰発現は、イネのリグニン生合成と病害抵抗性を著しく増強し、BHLH25のノックアウトはリグニン含有量の低下と病害抵抗性の弱まりをもたらしました。さらに、miR397bのノックアウトはリグニン含有量と病害抵抗性を著しく増強し、miR397bの過剰発現は逆の効果を示しました。これらの結果は、BHLH25がmiR397bの発現を抑制することでリグニン生合成を促進し、それによって植物の病害抵抗性を強化することを示しています。
4. BHLH25はCPS2を介したフィトアレキシン生合成を通じて病害抵抗性を強化する
リグニン生合成の調節に加えて、BHLH25はフィトアレキシン（phytoalexin）生合成遺伝子CPS2の発現を促進することで病害抵抗性を強化します。BHLH25はCPS2のプロモーターに直接結合し、その発現を促進します。BHLH25の過剰発現はフィトアレキシンCの含有量を著しく増加させ、BHLH25のノックアウトはフィトアレキシンCの含有量を著しく低下させました。さらに、CPS2の過剰発現はイネの病害抵抗性を著しく増強し、CPS2のノックアウトは逆の効果を示しました。
5. BHLH25はM256の酸化状態変化を通じて防御反応を調節する
研究者たちは、BHLH25が病原体の侵入時にH₂O₂によって酸化され、特にメチオニン256（M256）部位で酸化されることを発見しました。酸化されたBHLH25はmiR397bのプロモーターに結合しやすくなり、miR397bの発現を抑制してリグニン生合成を促進します。リグニン生合成が進むと、H₂O₂が消費され、BHLH25の酸化状態が徐々に回復し、CPS2の発現を促進してフィトアレキシン生合成を強化します。
遺伝子変異実験を通じて、研究者たちはM256をバリン（Valine）に置換すると、BHLH25がmiR397bおよびCPS2のプロモーターに結合する能力を失い、リグニンおよびフィトアレキシン生合成を調節できなくなり、病害抵抗性が著しく低下することを発見しました。これは、M256がBHLH25がH₂O₂を感知し、防御反応を調節するための鍵となる部位であることを示しています。
6. BHLH25は植物界で広く保存されている
研究者たちはさらに、110種の植物ゲノム中のBHLH25相同遺伝子を分析し、M256様メチオニン残基がこれらの相同遺伝子において高度に保存されていることを発見しました。さらに、シロイヌナズナのBHLH25相同タンパク質（AtBHLH25）も同様のH₂O₂感知メカニズムを示し、このメカニズムが植物界で広く存在することを示唆しています。
結論と意義
本研究は、イネの転写因子BHLH25がH₂O₂を感知することで植物の多重病害抵抗性を調節する新たなメカニズムを明らかにしました。BHLH25はそのM256部位の酸化状態変化を通じて、リグニンおよびフィトアレキシン生合成をそれぞれ調節し、それによって植物の物理的バリアと化学的防御能力を強化します。このメカニズムは、植物が病原体の侵入に対して効果的に防御するだけでなく、H₂O₂、リグニン、フィトアレキシンの過剰蓄積が植物の成長に及ぼす負の影響を防ぐ役割も果たします。
さらに、BHLH25およびその相同遺伝子が植物界で広く保存されていることは、このメカニズムが多種多様な植物において普遍的に存在する可能性を示しており、広範な病害抵抗性を持つ作物の開発に新たな視点を提供します。
研究のハイライト
- 新たなメカニズムの発見：転写因子BHLH25がH₂O₂を感知することで植物の多重病害抵抗性を調節するメカニズムを初めて明らかにしました。
- 二重防御経路：BHLH25は酸化状態変化を通じて、リグニンおよびフィトアレキシン生合成をそれぞれ調節し、二重防御システムを形成します。
- 鍵となる部位の特定：M256部位の酸化は、BHLH25がH₂O₂を感知し、防御反応を調節するための鍵となります。
- 広範な保存性：BHLH25およびその相同遺伝子が植物界で広く保存されていることは、このメカニズムが多種多様な植物において普遍的に存在する可能性を示しています。
その他の有益な情報
この研究は、RNAシーケンス、酵母ワンハイブリッド、DNAアフィニティ精製、クロマチン免疫沈降（ChIP-qPCR）など、詳細な実験手法とデータ分析プロセスを提供しており、関連分野の研究者にとって貴重な技術的参考資料となっています。さらに、研究チームは酸化M256を特異的に認識する抗体を開発し、今後のBHLH25の酸化状態に関する研究に強力なツールを提供しました。
この研究を通じて、植物免疫反応の分子メカニズムを深く理解するだけでなく、将来の病害抵抗性作物の開発に新たな理論的基盤と技術的支援を提供することが可能となりました。