【研究の内容】
研究グループは、シロイヌナズナにおいて、植物ホルモンであるアブシシン酸（ABA）を分解する酵素CYP707Aの遺伝子発現が、高湿度環境下で上昇することに注目しました。ABAは植物の保水に働く重要なホルモンであり、その蓄積量は、気孔の開閉を通じて葉の水分含量に大きな影響を与えます。シロイヌナズナにはCYP707Aをコードする遺伝子が4種類存在しますが、そのうちCYP707A1とCYP707A3は高湿度環境下で発現が誘導され、ABA蓄積量を低下させることで気孔の開口を促すことが知られていました。
そこで研究グループは、これらの遺伝子の機能を失わせた変異体植物を用いて、それらの遺伝子が病原細菌による水浸漬の抑制に寄与しているかどうかを検証しました。その結果、特にCYP707A3を欠損した植物変異体では、エフェクターを分泌できずに水浸漬を起こせなくなった病原細菌Pseudomonas syringae pv. tomato（Pst）DC3000（注4）の変異株（Pst ΔhrcC）が顕著に水浸漬を起こせるようになることが分かりました（図2）。この結果は、病原細菌が植物CYP707A3の働きを抑制して水浸漬を起こすのにエフェクターを用いていることを意味します。一方で、気孔を閉じられなくなった（恒常的に気孔が開いた）ost2-3D変異体植物で、CYP707A3に加えてCYP707A1も追加で欠損させても、Pst ΔhrcCは水浸漬を起こせませんでした。これらの結果から、CYP707A3はABA量を減少させることで気孔の開口を促し、病原細菌による水浸漬の発生を防いでいることが明らかとなりました。
次に研究グループは、高湿度に応じてCYP707A3の遺伝子発現がどのように誘導されるのか、その仕組みに迫りました。湿度に応じた遺伝子発現変動を網羅的に解析した結果、CYP707A3を含む高湿度誘導遺伝子のリスト化に成功し、さらにそれらの発現を調節するプロモーター領域（注5）には、カルシウムイオン（Ca2+）で活性化されるCAMTAと呼ばれる転写因子の結合配列（CGCG-box）が多く存在することを見出しました。実際に、CYP707A3のプロモーターに存在するCGCG-boxを欠失させると、高湿度に応じた発現の誘導が著しく低下し、水浸漬が起こりやすくなることが分かりました。また、CAMTA3の機能を低下させた変異体植物でも、高湿度環境下でCYP707A3の発現が十分に誘導されず、水浸漬に対する抵抗性が弱まりました。加えて、高湿度に晒された葉では細胞内Ca2+濃度が上昇することが観察され、このCa²⁺シグナルがCAMTA3を介してCYP707A3の発現誘導につながると考えられました。これらの結果から、湿度上昇を感知したシロイヌナズナは、細胞質Ca2+濃度を増加させ、CAMTA3を介してCYP707A3の発現を誘導することで、水浸漬に対する抵抗性を高めていると考えられます。
さらに研究グループは、病原細菌がどのエフェクターを用いてこの防御機構を抑制しているのか、さらに解析を進めました。その結果、特にエフェクターAvrPtoBが、CYP707A3を介した水浸漬抵抗性の阻害に寄与していることを突き止めました。AvrPtoBを植物内で発現させると、高湿度下で本来誘導されるはずのCYP707A3遺伝子の発現が著しく抑制され（図3）、水浸漬に対する抵抗性が低下しました。また、AvrPtoBを欠損した病原細菌Pst DC3000変異株を接種した植物では、CYP707A3の発現が高湿度で誘導されたまま維持され、水浸漬の形成が大きく抑えられました。これらの結果から、病原細菌Pst DC3000はAvrPtoBを用いて植物のABA分解を止めることで、植物の保水機能を利用し、自身の増殖に有利な水集積環境を葉内に作り出していることが示されました。すなわち、植物は湿度上昇を感じた時点で水浸漬を防ぐための防御機構を発動すること、及び病原細菌はそれを打ち破って植物の保水機構を利用する仕組みを備えていることを発見し、植物と病原細菌が葉内の「水」をめぐって繰り広げる攻防を左右する分子標的が、本研究によって明確になりました（図4）。