なぜウイルスは特定の植物に感染しないのか?

――植物ウイルスの宿主範囲を決める仕組みを解明――

【注目の成果：共同研究・産学連携のためのチェックポイント】

植物とウイルスの共進化の歴史の理解を進めるとともに、ウイルス病に強い作物品種の開発につながることが期待

【産学連携対象全学共通分野 Discovery Saga】

生物学工学農学医歯薬学

【Sagaキーワード】

発表のポイント

◆ウイルス抵抗性遺伝子JAX1がアブラナ科の誕生とともに現れ、その後数百万年にわたってこの科の内部で維持されてきたことがわかりました。
◆ポテックスウイルスがアブラナ科植物に感染できるかどうかはJAX1遺伝子の有無(DNAレベル)、遺伝子発現(RNAレベル)、抵抗性機能(タンパク質レベル)の3段階で制御されることを明らかにしました。
◆本成果は、植物とウイルスの共進化の歴史の理解を進めるとともに、ウイルス病に強い作物品種の開発につながることが期待されます。

JAX1による宿主範囲制御メカニズム

発表概要

　東京大学大学院農学生命科学研究科の鈴木拓海特任研究員と山次康幸教授らの研究グループは、ポテックスウイルス(Potexvirus)という、本来なら41以上の科におよぶ広範な植物を宿主とするウイルス群が、なぜかアブラナ科植物だけにはほとんど感染できない、という現象のメカニズムを明らかにしました。
　アブラナ科植物の包括的な比較ゲノム解析により、JAX1と呼ばれるウイルス抵抗性遺伝子が大部分のアブラナ科植物に共通して存在し、それらがポテックスウイルスの感染を抑える働きを持つことが明らかになりました。一方で、一部のアブラナ科植物はポテックスウイルスに部分的あるいは全身感染しましたが、それらの植物はゲノムからJAX1遺伝子が欠失している、JAX1遺伝子が発現していない、JAX1遺伝子がウイルス抑制機能を喪失している、のいずれかの要因によることがわかりました。さらに、ポテックスウイルスが感染できない植物のJAX1遺伝子をゲノム編集技術により欠失させると、ウイルスが効率よく全身感染するようになることがわかりました。
　これらの結果から、ウイルス抵抗性遺伝子が植物ウイルスの宿主範囲を決定する重要なキーファクターであることが示されました。本研究を通じて、植物とウイルスの長年にわたる軍拡競争の歴史を紐解くとともに、将来的にはウイルス病に強い農作物の開発に大きく貢献することが期待されます。

発表内容

　アブラナ科植物は家庭で馴染み深い野菜類であるキャベツ、ハクサイなど、また研究室で利用されるモデル植物シロイヌナズナなどを含みますが、アブラナ科植物には植物ウイルス学における長年の謎が隠されていました。ポテックスウイルス(Potexvirus, 注1)は52種類のウイルスを含む巨大な植物ウイルスのグループで、幅広い植物に感染することが知られています。しかしこれまで、アブラナ科植物を自然宿主とするポテックスウイルスは報告されていません。
　一般に動植物を問わず病原体が感染できる宿主の数は限られており、病原体ごとに感染できる宿主植物の範囲(宿主範囲)が異なります。言い換えれば、多くの植物は特定の病原体に対して感染しない性質、すなわち病原体に対する抵抗性を持っています。特定の植物種が特定の病原体を一貫して退けるこの現象は「非宿主抵抗性(NHR)」とよばれます。非宿主抵抗性は何層もの防御機構が積み重なることにより形成されると予想されてきましたが、その詳細は明らかになっていませんでした。
　研究グループはこれまでに、アブラナ科植物のモデル植物であるシロイヌナズナから、ポテックスウイルスに対する抵抗性遺伝子 JAX1 を同定しています(関連情報①)。JAX1は、ウイルスの増殖に必須なタンパク質に結合し、その機能を阻害することでウイルスの増殖を抑制することが知られています(関連情報②)。しかし、この遺伝子がウイルスの宿主範囲の決定にどのように寄与しているかは不明でした。
　そこで研究グループは、さまざまな植物の比較ゲノム解析を行いました。その結果、JAX1遺伝子が多くのアブラナ科植物に共通して存在し、進化の過程で保存されてきたことが明らかになりました。さらに、JAX1がポテックスウイルスの増殖を抑制する機能も多くのアブラナ科植物で共通していることが分かりました(図1)。一方で、いくつかの植物がもつJAX1遺伝子ではその機能が失われていました。

図1:アブラナ科植物のJAX1は抗ウイルス活性を有する
感染に伴い、緑色蛍光タンパク質(GFP)を蓄積するウイルスとアブラナ科植物のJAX1を共接種した。多くの植物由来のJAX1で、GFPの緑色蛍光が観察されなかったことから、JAX1の抗ウイルス活性がアブラナ科植物に保存されていることが示された。
　アブラナ科植物にポテックスウイルスを接種してみると、一部の植物がポテックスウイルスに感染・増殖を許すことが分かりました (図2)。これらの植物を詳細に解析したところ、JAX1遺伝子がゲノム上に存在しない、発現していない、あるいは機能が失われているなど、異なる分子レベルの要因によって抵抗性が失われていることが示唆されました。すなわち、ポテックスウイルスに対する抵抗性は、JAX1遺伝子の有無(DNAレベル)だけでなく、遺伝子発現(RNAレベル)やJAX1の抗ウイルス活性(タンパク質レベル)の複数段階で制御されていることが明らかになりました。

図2: アブラナ科植物におけるJAX1遺伝子の保存と進化
JAX1はアブラナ科の共通祖先に由来し、多くの種で抗ウイルス機能を維持したまま受け継がれてきた。一部の種ではこの遺伝子の喪失や発現低下によりウイルス感受性へと変化していることが示唆され、さらに一部の種ではJAX1とは異なる機構の抵抗性を有することが示唆された。
　さらに、ゲノム編集技術により通常はポテックスウイルスに感染しないアブラナ科植物のJAX1遺伝子を破壊したところ、ウイルスが効率的に感染・増殖するようになりました(図3)。この結果は、JAX1がポテックスウイルスの宿主範囲を規定するキーファクターであることを直接的に示すものです。

図3: ゲノム編集によりJAX1遺伝子を破壊したアブラナ科植物へのPlAMVの接種
ゲノム編集技術を用い、Sisymbrium irioのJAX1遺伝子を破壊した変異体 (jax1変異体)を作出し、感染に伴いGFPを蓄積するウイルスを野生型(WT)、変異体それぞれに接種したところ、野生型では緑色蛍光が観察されなかったが、変異体では感染したことから、アブラナ科においてJAX1がポテックスウイルスに対する非宿主抵抗性の主要な因子であることが示された。
　以上の結果から、これまで謎とされてきたアブラナ科植物がポテックスウイルスに感染しにくい、という謎を解く鍵がJAX1遺伝子であることを明らかにしました。この成果は、植物とウイルスの長年にわたる攻防の歴史の理解を深めるとともに、「なぜ感染できる植物とできない植物があるのか」という問いに対し、その分子機構の一端を明らかにしたものです。さらに、このような抵抗性の仕組みが他の植物にも広く存在する可能性を示しており、それらを同定し活用することで、ウイルスに強い作物開発への新たな指針となることが期待されます。

発表者・研究者等情報

東京大学　大学院農学生命科学研究科
　鈴木　拓海　特任研究員
　山次　康幸　教授

論文情報

雑誌名:New Phytologist
題　名:An antiviral jacalin-like lectin gene contributes to nonhost resistance and host determination of potexviruses among Brassicaceae
著者名:Takumi Suzuki, Kazuya Ishikawa, Akira Yusa, Nozomu Iwabuchi, Kan Kimura, Tetsuya Yoshida, Mari Ota, Masato Suzuki, Masanobu Nishikawa, Kensaku Maejima, Shigetou Namba, Yasuyuki Yamaji
DOI: 10.1111/nph.71145
URL:https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.71145

研究助成

本研究は、科研費(課題番号:JP21H04722、JP22KJ1083、JP23KK0111、JP23KJ0759、JP25K18209)、農林水産省農林水産政策研究所「連携研究スキームによる研究委託事業委託研究課題(JPJ009417)」、生研支援センター「オープンイノベーション研究・実用化推進事業(JPJ011937)」の支援により実施されました。

用語解説

(注1)ポテックスウイルス
植物に感染するRNAウイルスのグループ。ユリなどの様々な植物に感染し被害をもたらすオオバコモザイクウイルス (PlAMV)、トマトの重要病害であり、国内への侵入が懸念されるペピーノモザイクウイルス (PepMV) などの農業上重要なウイルスが含まれる。

問い合わせ先

<研究内容について>
東京大学大学院農学生命科学研究科
教授　山次　康幸(やまじ　やすゆき)
Tel:03-5841-5092　E-mail:ayyamaji@g.ecc.u-tokyo.ac.jp

<機関窓口>
東京大学大学院農学生命科学研究科・農学部
総務課総務チーム広報情報担当
Tel:03-5841-5484　E-mail:koho.a@gs.mail.u-tokyo.ac.jp