キュウリの植物宿主抵抗性と病原体抑制におけるメラトニンの役割の違い（英文

Differential roles of melatonin in plant-host resistance and pathogen suppression in cucurbits.

• Mihir Kumar Mandal
• Haktan Suren
• Brian Ward
• Arezue Boroujerdi
• Chandrasekar Kousik

抄録

1950 年代以降、動物の神経ホルモンであるメラトニンの研究は、不眠症、癌、アルツハイマー病などの患者へのマルチレギュレーション効果に焦点を当ててきました。植物では、メラトニンは植物の成長・発達に重要な役割を果たしており、多様な生物学的・生物学的ストレスに応答して誘導されます。しかし、メラトニンが病気の抑制や宿主・病原体防御機構におけるシグナル分子としての直接的な役割についての研究はまだ十分に行われていません。本研究では、スイカ（Citrullus lanatus）におけるメラトニンの予測される生合成経路を明らかにし、環境に優しい免疫誘導剤であるメラトニンの散布が、殺菌剤耐性や遺伝的耐性の欠如が大きな問題となっている植物の免疫力を高め、病原体の増殖を抑制することを明らかにした。我々は、メラトニン散布の効果を評価するとともに、メラトニン生合成遺伝子SNAT（セロトニンN-アセチルトランスフェラーゼ）を持つスイカ植物を形質転換し、植物防御におけるメラトニンの役割を明らかにした。その結果、メラトニンレベルの増加は、葉面病原体であるポドスパエラ・キサントイ(Podosphaera xanthii)や土壌媒介菌であるスイカやその他のウリ科植物のカプシチに対する抵抗力を高めることがわかった。さらに、メラトニンを散布した（1mmol/L）スイカの葉のトランスクリプトームデータから、メラトニンはPAMPを媒介する（病原体関連分子パターン）防御とETIを媒介する（エフェクターをトリガーとする免疫）防御の両方に関与する遺伝子の発現を変化させることが示唆された。27 のアップレギュレーションされた遺伝子は、メラトニン誘導性植物抵抗性応答の初期プライミングと同様に、構成的防御に関連していた。この結果は、スイカのような特殊作物においてメラトニンレベルを増加させる戦略を開発することで、多様な糸状菌病原体に対する抵抗性が得られることを示唆している。

Since the 1950s, research on the animal neurohormone, melatonin, has focused on its multiregulatory effect on patients suffering from insomnia, cancer, and Alzheimer's disease. In plants, melatonin plays major role in plant growth and development, and is inducible in response to diverse biotic and abiotic stresses. However, studies on the direct role of melatonin in disease suppression and as a signaling molecule in host-pathogen defense mechanism are lacking. This study provides insight on the predicted biosynthetic pathway of melatonin in watermelon (Citrullus lanatus), and how application of melatonin, an environmental-friendly immune inducer, can boost plant immunity and suppress pathogen growth where fungicide resistance and lack of genetic resistance are major problems. We evaluated the effect of spray-applied melatonin and also transformed watermelon plants with the melatonin biosynthetic gene SNAT (serotonin N-acetyltransferase) to determine the role of melatonin in plant defense. Increased melatonin levels in plants were found to boost resistance against the foliar pathogen Podosphaera xanthii (powdery mildew), and the soil-borne oomycete Phytophthora capsici in watermelon and other cucurbits. Further, transcriptomic data on melatonin-sprayed (1 mmol/L) watermelon leaves suggest that melatonin alters the expression of genes involved in both PAMP-mediated (pathogen-associated molecular pattern) and ETI-mediated (effector-triggered immunity) defenses. Twenty-seven upregulated genes were associated with constitutive defense as well as initial priming of the melatonin-induced plant resistance response. Our results indicate that developing strategies to increase melatonin levels in specialty crops such as watermelon can lead to resistance against diverse filamentous pathogens.

© 2018 John Wiley & Sons A/S. Published by John Wiley & Sons Ltd.