虫こぶ形成メカニズムの解明
植物を食料とする植食性昆虫の中には、昆虫自身のシェルター兼食料となる「虫こぶ」という特殊な植物組織を植物に作らせる昆虫たちが存在します。
虫こぶ（虫癭，gall）は，昆虫が植物体に寄生して形成する給餌組織で，高度な形態制御とアミノ酸等栄養素の転流・蓄積を特徴としています．この植物組織の統合的かつ劇的な変化は植物本来の能力や植物ホルモンの働きだけでは説明できない非常に興味深い研究対象です．
複雑な構造を持つ虫こぶは、ホスト植物には、本来、決して生じないことから、虫こぶの形成には、昆虫がなんらかの物質を植物に作用させ、植物の形態形成プログラムを操作することで形成される、いわゆる「延長された表現型」であると考えられてきました(Dawkins, 2016)。しかしながら、昆虫が、どのような物質を作用させ、虫こぶを形成するのか？その分子メカニズムついては、不明な点が多く残されていました。
虫こぶ形成に必要な共通遺伝子
虫こぶ形成誘導因子，CAPペプチドの発見
私たちは，未知の「虫こぶ誘導物質」を単離するために、虫こぶ形成期のヌルデシロアブラムシに発現上昇する遺伝子の中から、N末端に分泌シグナルを持ち、植物の遺伝子と相同性を持つ遺伝子をin silicoの解析を行いました。
その結果、酵母から、動物、植物まで広く保存されたタンパク質であるCysteine-rich secretory proteins, Antigen5, and pathogenesis-related 1 proteins (CAP)を、虫こぶ形成因子候補として同定しました。さらに，CAPのC末端付近に、高度に保存されている領域があることがわかりました。そこで、保存領域であるC末端の保存領域を含むペプチド配列(CAPペプチド)を化学合成して、モデル植物シロイヌナズナに処理したところ、シロイヌナズナの芽生えで、遺伝子発現パターンが大きく変化し，虫こぶで発現している遺伝子群が発現することを見出しました．
バイオスティミュラントとは？
作物の収量は，環境からの様々なストレスにより，それらが持つ潜在的な最大収穫量より大幅に減少してしまいます．この問題に対して，従来型の農業では，育種によるストレス耐性品種の開発，化学肥料の施肥による栄養の供給，農薬による生物ストレスの制御，人工的な環境（ハウス栽培）などによる非生物ストレスの制御を中心に収量の増加を行ってきました．しかし，新たな品種の育種には多くの時間と労力がかかることや，肥料や農薬の合成に多くの石油化学エネルギーを必要とするため，これらが原因で，既存の農業体系が大規模な環境破壊を引き起こしていることなどが，世界的な問題となっています.
そこで，近年，「植物が本来持つ，ストレス耐性・抵抗性を最大限に高めることで，作物の収量を増加させる技術」であるバイオスティミュラント（BS）によって，環境に負荷をかけず，安定的な食糧生産を行うことが期待されています．しかしながら，既存のBSは，生体抽出物など混合成分で効果が不明なものがほとんどであり，作用機序が明確で効果が明らかなBSの開発が急務の課題となっています.
CAPペプチドのバイオスティミュラントとしての利用
CAP ペプチドを処理したシロイヌナズナの網羅的遺伝子発現解析RNA-seq解析の結果、乾燥やABA応答、病害応答、高温に対する耐性遺伝子や光合成関連遺伝子などが顕著に発現上昇していることが明らかとなりました。このことから、適度な濃度のCAPペプチドを処理することで、植物の成長促進やストレス耐性の向上させることが可能であることが示唆されました。
そこで、シロイヌナズナを用いて各種環境ストレスに対する耐性が、CAPペプチド処理によって上昇するかについて調査しました。
様々な実用植物における生育促進効果を調べた結果、生育初期のトマトに低濃度のCAPペプチドを灌注処理または葉面散布すると、トマトの実の収量が30%程度増加すると同時に、トマトの実の糖度も顕著に上昇することが明らかとなりました。
他にも、柿（平核無）や南高梅、ダイズなどにCAPペプチドを処理した結果、一定の成長促進効果があることを確認しています。
CAPペプチドのバイオスティミュラントとしての利用
植物に，CAPペプチドを，あらかじめ処理すると、成長促進作用や塩ストレスに対する耐性、高温に対する耐性、病原菌に対する耐性が顕著に増強されることが明らかとなりました。
CAPペプチドは、植物体内およびヒトにも存在する天然由来物質であることから非常に安全性が高く、極低濃度(nMオーダー)のペプチド単分子で十分な効果を発揮します。
更に天然由来ペプチド成分であるために環境残留性も低く、品質の保持やコントロールが比較的容易であるなどの特徴を持っています。
高等植物の形態形成における膜交通メカニズムの役割
真核生物の形態形成には，細胞の極性確立が非常に重要であることが知られています。細胞極性の確立には，細胞膜上へのタンパク質の方向性を持った輸送，いわゆる極性輸送が重要な働きをしています。植物におけるタンパク質の極性輸送は，根毛や花粉管の伸長，いわゆる“先端成長”をモデルとして精力的に研究され，カルシウム，細胞骨格，ミオシン等モータータンパク質，フォスファチジルイノシトールリン脂質，Rab, Ropなどの低分子量GTPase，SNAREなどの分子が重要な働きをしていることがわかっていますが，これらの分子間の相互作用に関しては，不明な点が多い状況です。
当研究室では，1994年に、シロイヌナズナから、液胞膜SNARE，AtVam3の単離および解析を世界に先駆けて行った研究を皮切りに，液胞の動的構造の解析，シロイヌナズナSNARE細胞内局在マップの作成，細胞膜SNAREの発現および細胞膜上での局在解析，根毛と花粉管伸長に関与するSANREの発見，フォスファチジルイノシトール3リン酸(PI3P)をフォスファチジルイノシトール3,5ビスリン酸に変換するキナーゼFAB1とエンドサイトーシスとの関わりなどの成果を得てきました。
特に，我々は，根毛の伸長過程における根毛特異的SNARE, SYP123および全細胞で普遍的に発現しているSYP132についての機能解析を進め，SYP123は，アクチン繊維依存的に根毛の先端に集中し，輸送小胞に存在するR-SNAREの一種，AtVAMP721とSNARE複合体を形成し，一方，SYP132は，細胞膜全体に均一に存在し，やはりAtVAMP721とSNARE複合体を形成して，BFA非感受性の新規タンパク質のエキソサイトーシスに関与していることを明らかにしました。
一方，イノシトールリン脂質（PIs）は，イノシトール環の3，4，5位の水酸基がリン酸結合されることにより，7種類存在します．そのうち，3位と5位にリン酸が結合したPI(3,5)P2は，FAB1によって合成され，4位と5位にリン酸が結合したPI(4,5)P2は，PIP5Kによって合成されることが知られています．
我々は，モデル植物シロイヌナズナを用いて，FAB1の機能解析を中心に研究を行い，FAB1が後期エンドソームに局在し，後期エンドソームの成熟に働き，加えて，表層微小管の配向制御に機能することを明らかにしてきました．
