“Root-Microbiota Communications”
野外環境の植物は多種多様な微生物に曝されている
We aim to understand the molecular dialogue between roots and microbiota that ultimately dictates root growth and immunity, as well as the structure and function of root microbiota. We are particularly interested in secreted signals that can operate at a distance.
植物の根には様々な種類の微生物が定着しています。これらの微生物コミュニティの総体を「マイクロバイオータ」と呼びます。これらの微生物は植物の生長やストレス耐性，耐病性など，様々な生理現象に大きな影響を与えるため，自然環境においては植物の一部であるとすら考えられるほどです。私たちは，微生物（マイクロバイオータ）との相互作用や，マイクロバイオータが植物の生長や免疫応答に与える影響を理解することで，自然環境における植物の真の生き様に迫ることを目指しています。
Research projects
Microbiota-influenced
root growth-defence coordination
植物は生長と防御のバランスを絶妙に調整しています。そのため免疫応答が過剰に／慢性的に活性化されると生育阻害を引き起こしてしまします。”Growth-defense tradeoff” として有名なこの現象ですが，では常時微生物に囲まれ免疫を刺激され続ける自然環境の植物はどのように生長を維持しているのでしょうか？
私たちは以前，このtradeoffに干渉し，免疫の慢性的活性化条件でも植物がうまく生長するのを助ける活性を持った根圏常在細菌を発見しました(Garrido-Oter*, Nakano*, Dombrowski* et al., 2018, Cell Host & Microbe)。現在，この干渉能を支える分子機構を明らかにすることを目指し，正遺伝学的な変異体解析や生化学的な活性因子の単離・同定などを試みています。重要な遺伝子や分子メカニズムが明らかになれば，それをもとに進化の過程に迫ることもできます。陸上植物の進化の過程で防御と生長がどう統合されてきたのか，それは植物や微生物にどのような利益を与えたのか。植物の陸上化は土壌微生物との相互作用によって駆動されたという妄想にも似た仮説を旗印に，植物の進化の謎に迫りたいと思います。
Plant growth and defence are coordinated with each other to maximize overall plant fitness in complex natural environments. We showed that root-associated bacteria, constituting the root microbiota, interfere with this process and suppress immunity-triggered root growth inhibition (Garrido-Oter*, Nakano*, Dombrowski* et al., 2018, Cell Host & Microbe). We aim to decipher the molecular mechanisms by which root microbiota interfere with host growth-defence coordination and whether and how such microbial interference influences overall plant physiology.
Project members: Fiqih Ramadhan, Yusuke Inagaki, Luiza Ribeiro dos Santos, Tomohisa Shimasaki
Specialized metabolite-mediated interaction between roots and commensal bacteria
植物とマイクロバイオータはどのようにコミュニケーションをとっているのでしょうか？その最初の出会いは互いの「分泌物」ではないでしょうか。お互いが分泌する物質をお互いが認識しあうことで，コミュニケーションがスタートするのでしょう。そこで私たちは根から分泌される特化代謝産物（二次代謝産物）に着目し，それが根のマイクロバイオータに与える影響について解析をしています。特にアブラナ科植物のグルコシノレートやタバコのニコチン，マメ科植物のイソフラボノイドなどに着目しています。
The first layer of the plant-microbiota communication is mediated by the compounds secreted by plants and by microbiota. We are particularly interested in specialized metabolites secreted from plant roots and how they affect microbital behaviro. For example, tobacco roots produce nicotine and santhopine, the specialized metabolites uniquely found in this plant lineage. We show that tobacco root microbiota is characterized by an enrichment of a bacterial genus Arthobacter (Shimasaki et al., 2021, mBio). We also showed that tryptophane-derived specialized metabolites secreted by Arabidopsis thaliana roots influence microbiota community assembly (Basak et al., 2024, New Phytologist). We are now working on the molecular mechanisms underlying this enrichment.
Project members: Tomohisa Shimasaki
Transcriptional response of plants to microbiota
植物は常在微生物やマイクロバイオータの存在にどのように応答しているのでしょうか？病原菌に対する応答はよく解析されているのに対し，常在微生物に対する応答やその制御機構はまだよくわかっていません。私たちは自分たちの様々なトランスクリプトーム解析の結果を過去に報告されている様々な応答と比較してみました。すると，病原性の有無に関係なくあらゆる微生物に応答する遺伝子や，細菌や真菌含めてあらゆる「非病原性微生物」に応答する遺伝子などが見つかってきました。マシンラーニングによってこれらを制御していると予測された転写因子などについて機能解析を進めています。
Plants respond to microbes, but how plants discriminate between pathogens and non-pathogens, including microbiota members, remains unclear. Our recent RNAseq meta-analysis revealed that the root transcriptional responses triggered by microbial inoculations were clearly different between roots inoculated with pathogens and non-pathogens while remarkably similar among non-pathogen inoculated roots, irrespective of whether they were inoculated with bacteria, fungi, or a mixture of them (Hucklenbroich et al., 2021, bioRxiv). We aim to understand the relevance of such a common response (the cause or a consequence of commensalism?).
Project members: Marina Yagi-Rodriguiez, Sota Kuriyama
ER body-mediate assembly
of root-associated microbiota
Collaboration with Kenji Yamada @ Jagiellonian University
Plants in the family Brassicaceae develop a unique, spindle-shaped ER-derived organelle called the ER body (the bright structures in the right picture; Nakano* and Yamada* et al., 2014, Frontiers in Plant Science). We previously showed that PYK10, the predominant constituent of root ER bodies in A. thaliana, harbours myrosinase activity (Nakano et al., 2017, The Plant Journal). Myrosinases hydrolyze glucosinolates, a class of sulfur-containing specialized metabolites, to produce bioactive compounds that are responsible for defence against herbivores and microbial pathogens. We recently identified a role for root ER bodies in modulating root microbiota assembly, partially via contributing to the secretion of Trp-derived specialized metabolites and their catabolites to the rhizosphere (Basak et al., 2024, New Phytologist).
Our work is supported by KAKENHI, funded by JSPS to RTN and TS, and by Inamori Research Grant funded by Inamori Foundation to RTN.
Please visit the Kaken database for details: Ryohei Thomas Nakano and Tomohisa Shimasaki.
Our research in 2019-2023 was funded by the German Research Foundation (DFG) under the scheme of the Priority Programme “Deconstruction and Reconstruction of Plant Microbiota” (DECRyPT).
Project ID: 402201269; GEPRIS description can be found here.