Tsuchiya Group

Plant Chemical Genetics
植物化学遺伝学グループ

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私たちは、目に見えないほど小さなシグナル分子が駆動する生命現象について、主に寄生植物という奇妙な生物を対象に研究を行なっています。分子の探索や開発を通し、化学の力で未知の生命現象を開拓するとともに、食糧危機などの地球規模の問題解決にも貢献していきたいと考えています。

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アフリカの食糧生産に大きな被害を与えるストライガという寄生植物の種子発芽を中心に研究を進めています。

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これまでに開発してきた分子たちです。

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土屋グループでは、博士研究員1名を募集しています。

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植物が生産する多種多様な低分子化合物の中には、自身の生理生長を調節する植物ホルモンや、生物間のコミュニケーションを仲介するアレロケミカルなど、植物体内やその近傍で起こる様々な生命現象の引き金となるシグナル分子もごく少数含まれます。植物体内を移動して重力や光の方向への生長を促すオーキシン、乾燥など様々なストレス耐性を付与するアブシジン酸や、緑の革命を可能としたジベレリンなど、シグナル分子の発見はこれまで植物科学に大きなブレークスルーをもたらして来ました。しかし、その全貌は現在も明らかとなっておらず、未だ発見されていないシグナル分子も多数存在するだろうと言われています。私たちは、植物が作る新たなシグナル分子やそれが駆動する生命現象について、主に寄生植物という奇妙な生物を題材に研究を進めています(シグナル分子について詳しく知りたい方はこちらから)。

トウモロコシ畑でピンク色の花を咲かせるストライガ

ケニアにて撮影 2019年7月

寄生植物は、私たちが普段よく見かける植物とは異なり、他の植物に寄生して栄養を奪って生きる植物です。これまで知られている植物種の1%に相当する4,000種もの寄生植物が発見され、その中には、世界最大の花をつけるラフレシアや、お香の原料となる白檀、さらにヤドリギやナンバンギセルといった日本国内で自生しているものも多数あります。こういった寄生植物の大半は野生での競争力も低く人畜無害ですが、中には人の営みに適応して大きく繁殖し、深刻な社会問題を起こしているものも含まれます。特に、「魔女の雑草」として恐れられるストライガ ( Striga hermonthica ) は、単一種としては世界最大の損害を引き起こす生物として知られ、その被害を受けるサブサハラアフリカの国々では、毎年1兆円にも相当する穀物が失われていると言われています (上写真、寄生植物について詳しく知りたい方はこちらから)。

宿主植物が放出するシグナル分子への応答

寄生植物の生活環は、宿主植物との情報交換を含む複雑なものです。ストライガの場合、土中に埋まっている種子は発芽することなく、宿主植物が近くで育ち始めるのを20年以上待ち続けることができます。宿主が近くで生育を始めると、その根から土の中へと放出されるストリゴラクトン (SL) と呼ばれるシグナル分子を感知して発芽します。宿主の根に近づくと、次にジメトキシベンゾキノン (DMBQ) などのキノン類を感知することで根の形態を変化させ、吸器と呼ばれる器官を形成することで宿主植物の根に侵入します。その後、自分の維管束を宿主のものとつなげ、栄養や水分を吸収しながら生育を続けます。このように、寄生植物はシグナル分子群を媒体とした生物間コミュニケーションを通して、宿主の存在を嗅ぎつけ、生理生長を変化させることで寄生すると考えられています。しかし、遺伝子操作を行うことができない寄生植物で研究を進めることは容易ではなく、そのメカニズムの詳細はほとんど解っていません。

私たちのグループでは、どのような生物にでも適用できる低分子ツールを主軸に、寄生植物やその近傍で起こる生命現象の解明を目指して研究を行なっています。「なぜ植物が寄生するのだろうか?」「どうやって植物が寄生する能力を獲得したのだろう?」など、寄生植物はユニークな疑問を投げかける植物であり、こういった謎を解明することは、アフリカの食糧問題のような地球規模の課題の解決にもつながるだろうと考えられます。寄生植物の奇妙な生態への興味を起点に、シグナル分子が紡ぐバイオロジーの新たな側面を開拓し、人類へ貢献していきたいと考えています。

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これまでの研究の概要

ストリゴラクトン (SL) は、植物細胞内で合成されて体内を巡り、枝分かれの抑制や根の伸張、ストレス応答などを制御する植物ホルモンである。また、リン酸などの栄養欠乏に陥った際には生合成が加速され、植物と共生するアーバスキュラー菌根菌 (AM菌) への救難信号として根から土の中に放出される。SLを受け取ったAM菌は、菌糸の分岐を繰り返すことで植物の根に到達し、菌根と呼ばれる共生体を介して植物にリン酸を供給するとともに、その対価として植物からエネルギー源となる糖や脂肪酸を獲得する。一方、ストライガは、このSLを介したAM菌とのコミュニケーションを傍受して発芽し、宿主植物への寄生を始める。このように、植物ホルモンと二つのアレロケミカル機能が一つの分子に集約されたSLを媒体として、宿主植物、AM菌および寄生植物の三者の駆け引きが自然の中で繰り広げられている。

SLは、1966年にストライガの発芽を刺激する宿主因子として初めて同定され (Cook et al., Science)、2005年に菌根菌との共生シグナルとして (Akiyama et al., Nature)、また2008年には植物ホルモンとして三たび発見されたシグナル分子である (Gomes-Roldan et al., Nature; Umehara et al., Nature)。ストライガの防除の観点からの研究はもっとも長く続けられてきており、特に単独では生育できない寄生植物の性質を利用し、宿主のいないところで強制的に発芽させ枯死に導く自殺発芽剤として、人工SLの開発が精力的に行われてきた。一方、ストライガでは形質転換や変異株の取得といった遺伝学的な解析を行うことができないため、ストライガがどのようにSLを感知し、発芽を起こすかについては全く分かっていなかった。そこで、まずはストライガが発芽する機構を解明し、それをストライガの防除策の開発へと応用する方針で研究を進めてきた。

研究開始当初は通常の植物の種子発芽の研究を行なっていたが、当時は黎明期だったケミカルスクリーニングを用いた研究より、寄生植物が引き起こす問題を知るに至った。当初、アブシジン酸とジベレリンが表皮と内部組織を往来するプロセスを介して発芽を起こす機構の解明を目指して1-2、モデル植物であるシロイヌナズナの発芽を刺激する人工分子を10,000化合物のライブラリーより選抜したところ、その中からコチルイミドと呼ばれる発芽刺激分子を発見した。その構造や生理活性がSLと類似していることに気づき調べてみたところ、人工SLであるGR24がストライガだけではなく、非寄生植物であるシロイヌナズナの発芽をも刺激することを初めて見出した3。これをきっかけに、ストライガの代替モデルとしてシロイヌナズナの高温発芽阻害を使った独自のアッセイ系を立ち上げ、ストリゴラクトンによる発芽刺激に欠損を生じた突然変異株や原因遺伝子の分離・同定を行った4-6

「切れたら光るSL」をコンセプトに化学者との共同で開発したヨシムラクトングリーン(YLG)を活用することで、in vitro でのSL受容体とリガンドの結合測定や、ストライガの種子中でのSL受容体の働きを観察することが可能となった。このYLGを使ったアッセイ系を活用することで、シロイヌナズナを用いた研究をもとに発見した11個のShHTLファミリータンパク質がストライガにおけるSL受容体であることの証明し7、その一つであるShHTL5の結晶構造も解明した8(詳細はこちらから)。

これら情報・アッセイ系とケミカルスクリーニングを併用することで、受容体機能を指標とした自殺発芽剤の開発を進め、人工骨格と天然ストリゴラクトンの活性部位を連結させたハイブリッド分子であるスフィノラクトン-7(SPL7)の開発に成功した9。国内実験室でのポットレベルでの寄生試験では、SPL7を与えることでストライガの自殺発芽が実際に誘導され、トウモロコシをストライガの寄生から防除することに成功した(詳細はこちらから)。

自殺発芽剤として実用する上で、SLの多様な機能は生態や環境への負荷にもなりうる。SPL7は、フェムトモーラーレベル(琵琶湖の水量に小さじ一杯程度)で発芽刺激する驚異的な活性を持つにも関わらず、ストライガに対する強い選択性を併せ持つため、理想的な自殺発芽剤としてアフリカの食糧増産に貢献することが期待される。これを実現するため、ストライガに大きな被害を受けるケニアでの現地実証試験を現在進めている。学内外の協力のもと、ケニア農畜産研究機構 (KALRO) との共同研究にて、ビクトリア湖岸に位置するKibos支所での圃場試験を2018年より開始した。現在、少なくともポット試験レベルでは、SPL7は現地の気候・土壌環境においてもストライガの自殺発芽を誘導することを確認している(詳細はこちらから)。

これまで生物学・化学・計算科学の融合研究によって創出ししてきたYLGや受容体アイソフォーム選択的アゴニスト・アンタゴニスト9-10等の低分子ツールより、ストライガを実験対象とした分子レベルでの研究が初めて可能となっただけではなく、ストライガ種子中で波のように起こるダイナミックなリガンド受容パターンのライブイメージングや、加水分解を伴う受容体活性化のタンパク質ダイナミクスなど、モデル生物においてさえ捉えることが難しい動的な生命現象にアプローチすることが可能となった。

Reference

  1. Gazzarrini et al. (2004) The Transcription Factor FUSCA3 Controls Developmental Timing in Arabidopsis through the Hormones Gibberellin and Abscisic Acid. Dev. Cell, 7, 373–385, 2004. doi:10.1016/j.devcel.2004.06.017
  2. Tsuchiya et al. (2004) The FUS3 transcription factor functions through the epidermal regulator TTG1 during embryogenesis in Arabidopsis. Plant J. 37, 73–81, 2004. doi:10.1046/j.1365-313X.2003.01939.x
  3. Tsuchiya et al. (2010) A small-molecule screen identifies new functions for the plant hormone strigolactone. Nat. Chem. Biol., 6, 741–749, 2010. doi:10.1038/nchembio.435
  4. Toh et al. (2012) Thermoinhibition Uncovers a Role for Strigolactones in Arabidopsis Seed Germination. Plant Cell Physiol., 53, 107–117, 2012. doi:10.1093/pcp/pcr176
  5. Toh et al. (2014) Detection of parasitic plant suicide germination compounds using a high-throughput Arabidopsis HTL/KAI2 strigolactone perception system. Chem. Biol., 21, 988–998, 2014. doi:10.1016/j.chembiol.2014.07.005
  6. Tsuchiya et al. (2015) Probing strigolactone receptors in Striga hermonthica with fluorescence. Science, 349, 864–868, 2015. doi:10.1126/science.aab3831
  7. Toh et al. (2015) Structure-function analysis identifies highly sensitive strigolactone receptors in Striga. Science, 350, 203–208, 2015. doi:10.1126/science.aac9476
  8. Uraguchi et al. (2018) A femtomolar-range suicide germination stimulant for the parasitic plant Striga hermonthica. Science, 362, 1301–1305, 2018. doi:10.1126/science.aau5445
  9. Yoshimura et al. (2018) Discovery of Shoot Branching Regulator Targeting Strigolactone Receptor DWARF14. ACS Cent. Sci., 4, 230–234, 2018. doi:10.1021/acscentsci.7b00554
  10. Holbrook-Smith et al. (2016) Small-molecule antagonists of germination of the parasitic plant Striga hermonthica. Nat. Chem. Biol., 12, 724–729, 2016. doi:10.1038/nchembio.2129

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原著論文

  • Enantioselective Synthesis of Polycyclic γ-Lactams with Multiple Chiral Carbon Centers via Ni(0)-Catalyzed Asymmetric Carbonylative Cycloadditions without Stirring.
    Ashida, K., Hoshimoto, Y., Tohnai, N., Scott, D.E., Ohashi, M., Imaizumi, H., Tsuchiya, Y., Ogoshi, S.
    J. Am. Chem. Soc.142, 1594-1602, 2019. doi:10.1021/jacs.9b12493
  • A femtomolar-range suicide germination stimulant for the parasitic plant Striga hermonthica.
    Uraguchi, D., Kuwata, K., Hijikata, Y., Yamaguchi, R., Imaizumi, H., AM, S., Rakers, C., Mori, N., Akiyama, K., Irle, S., McCourt, P., Kinoshita, T., Ooi, T., and Tsuchiya, Y.
    Science, 362, 1301–1305, 2018. doi:10.1126/science.aau5445
    Press release
  • Discovery of Shoot Branching Regulator Targeting Strigolactone Receptor DWARF14.
    Yoshimura, M., Sato, A., Kuwata, K., Inukai, Y., Kinoshita, T., Itami, K., Tsuchiya, Y., and Hagihara, S.
    ACS Cent. Sci., 4, 230–234, 2018. doi:10.1021/acscentsci.7b00554
  • Small Molecule Toolbox for Strigolactone Biology.
    Tsuchiya, Y.
    Plant Cell Physiol. 59, 1511–1519, 2018. doi:10.1093/pcp/pcy119
  • The dynamics of strigolactone perception in Striga hermonthica: a working hypothesis.
    Tsuchiya, Y., Yoshimura, M., and Hagihara, S.
    J. Exp. Bot. 69, 2281–2290, 2018. doi:10.1093/jxb/ery061
  • Small-molecule antagonists of germination of the parasitic plant Striga hermonthica.
    Holbrook-Smith, D., Toh, S., Tsuchiya, Y., and McCourt, P.
    Nat. Chem. Biol., 12, 724–729, 2016. doi:10.1038/nchembio.2129
  • Structure-function analysis identifies highly sensitive strigolactone receptors in Striga.
    Toh, S., Holbrook-Smith, D., Stogios, P.J., Onopriyenko, O., Lumba, S., Tsuchiya, Y., Savchenko, A., and McCourt, P.
    Science, 350, 203–208, 2015. doi:10.1126/science.aac9476
  • Probing strigolactone receptors in Striga hermonthica with fluorescence.
    Tsuchiya, Y., Yoshimura, M., Sato, Y., Kuwata, K., Toh, S., Holbrook-Smith, D., Zhang, H., McCourt, P., Itami, K., Kinoshita, T., and Hagihara, S.
    Science, 349, 864–868, 2015. doi:10.1126/science.aab3831
    Press release
  • Detection of parasitic plant suicide germination compounds using a high-throughput Arabidopsis HTL/KAI2 strigolactone perception system.
    Toh, S., Holbrook-Smith, D., Stokes, M.E., Tsuchiya, Y., and McCourt, P.
    Chem. Biol., 21, 988–998, 2014. doi:10.1016/j.chembiol.2014.07.005
  • The embryonic leaf identity gene FUSCA3 regulates vegetative phase transitions by negatively modulating ethylene-regulated gene expression in Arabidopsis.
    Lumba, S., Tsuchiya, Y., Delmas, F., Hezky, J., Provart, N.J., Shi Lu, Q., McCourt, P., and Gazzarrini, S.
    BMC Biol. 10, 8, 2012. doi:10.1186/1741-7007-10-8
  • HY5 is involved in strigolactone-dependent seed germination in Arabidopsis.
    Toh, S., McCourt, P., and Tsuchiya, Y.
    Plant Signal. Behav., 7, 556–558, 2012. doi:10.4161/psb.19839
  • Thermoinhibition Uncovers a Role for Strigolactones in Arabidopsis Seed Germination.
    Toh, S., Kamiya, Y., Kawakami, N., Nambara, E., McCourt, P., and Tsuchiya, Y.
    Plant Cell Physiol., 53, 107–117, 2012. doi:10.1093/pcp/pcr176
  • Strigolactones as small molecule communicators.
    Tsuchiya, Y., and McCourt, P.
    Mol. BioSyst. 8, 464–469, 2012. doi:10.1039/C1MB05195D
  • A small-molecule screen identifies new functions for the plant hormone strigolactone.
    Tsuchiya, Y., Vidaurre, D., Toh, S., Hanada, A., Nambara, E., Kamiya, Y., Yamaguchi, S., and McCourt, P.
    Nat. Chem. Biol., 6, 741–749, 2010. doi:10.1038/nchembio.435
  • Strigolactones: a new hormone with a past.
    Tsuchiya, Y., and McCourt, P.
    Curr. Opin. Plant Biol. 12, 556–561, 2009. doi:10.1016/j.pbi.2009.07.018
  • Crosstalk and abscisic acid: the roles of terpenoid hormones in coordinating development.
    McCourt, P., Lumba, S., Tsuchiya, Y., and Gazzarrini, S.
    Physiol. Plant. 123, 147–152, 2005. doi:10.1111/j.1399-3054.2005.00457.x
  • The Transcription Factor FUSCA3 Controls Developmental Timing in Arabidopsis through the Hormones Gibberellin and Abscisic Acid.
    Gazzarrini, S., Tsuchiya, Y., Lumba, S., Okamoto, M., and McCourt, P.
    Dev. Cell, 7, 373–385, 2004. doi:10.1016/j.devcel.2004.06.017
  • The FUS3 transcription factor functions through the epidermal regulator TTG1 during embryogenesis in Arabidopsis.
    Tsuchiya, Y., Nambara, E., Naito, S., and McCourt, P.
    Plant J. 37, 73–81, 2004. doi:10.1046/j.1365-313X.2003.01939.x
  • The role of ABI3 and FUS3 loci in Arabidopsis thaliana on phase transition from late embryo development to germination.
    Nambara, E., Hayama, R., Tsuchiya, Y., Nishimura, M., Kawaide, H., Kamiya, Y., and Naito, S.
    Dev. Biol. 220, 412–423, 2000. doi:10.1006/dbio.2000.9632

日本語の総説

  • 土屋 雄一朗 (2020) 自殺発芽剤による寄生植物ストライガからの防除、植調 54、13-16.
  • 土屋 雄一朗、浦口 大輔、大井 貴史 (2019) 人工ストリゴラクトンの設計、植物の生長調節 54, 49-53.
  • 土屋 雄一朗 (2019) 「魔女の雑草」寄生植物ストライガの撲滅に向けて、バイオサイエンスとインダストリー (B&I) 77、299-303.
  • 土屋 雄一朗 (2019) アフリカで猛威をふるう寄生植物ストライガの撲滅を目指して -フェムトモルで作用する自殺発芽剤の開発-、化学と生物 58、136 - 137.
  • 土屋 雄一朗(2017)寄生植物ストライガにおけるストリゴラクトンの受容機構、植物の成長調節 52, 63-69.
  • 萩原 伸也、吉村 柾彦、土屋 雄一朗、木下 俊則、伊丹 健一郎、(2016)、魔女の呪いを解く分子—寄生植物“ストライガ”の発芽を制御する分子を開発.化学 71、35-39.
  • 土屋 雄一朗(2010)ケミカルジェネティクスを進めるストラテジー. 植物の生長調節 45, 132-139.

書籍等

  • 土屋 雄一朗(2016)、植物ホルモン・ストリゴラクトンをめぐる生物戦略.理科通信 サイエンスネット(数研出版) 57、2-5.
  • 土屋 雄一朗 (2019) アフリカの食糧問題の解決に向けて - 魔女の雑草を撲滅する分子を開発!、アカデミストジャーナル
  • 土屋 雄一朗(2010)植物の応答から考えるストリゴラクトンバイオロジー. 植物のシグナル伝達 -分子と応答-(共立出版)セクションⅣ「ストリゴラクトンの発見, 合成, 生理機能」
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土屋 雄一朗

〒464-8601 愛知県名古屋市千種区不老町
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Fax: 052-789-4778
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