Long-term consequences of PTI activation and its manipulation by root-associated microbiota.
Ryohei Thomas Nakano, Tomohisa Shimasaki
Plant & cell physiology, 2024年03月29日, ［国内誌］
英語, 研究論文（学術雑誌）, In nature, plants are constantly colonized by a massive diversity of microbes engaged in mutualistic, pathogenic, or commensal relationships with the host. Molecular patterns present in these microbes activate pattern-triggered immunity (PTI), which detects microbes in the apoplast or at the tissue surface. Whether and how PTI distinguishes among soil-borne pathogens, opportunistic pathogens, and commensal microbes within the soil microbiota remains unclear. PTI is a multi-modal series of molecular events initiated by pattern perception, such as Ca2+ influx, reactive oxygen burst, and extensive transcriptional and metabolic reprogramming. These short-term responses may manifest within minutes to hours, while the long-term consequences of chronic PTI activation persist for days to weeks. Chronic activation of PTI is detrimental to plant growth, so plants need to coordinate growth and defense depending on the surrounding biotic and abiotic environments. Recent studies have demonstrated that root-associated commensal microbes can activate or suppress immune responses to variable extents, clearly pointing to the role of PTI in root-microbiota interactions. However, the molecular mechanisms by which root commensals interfere with root immunity and root immunity modulates microbial behavior remain largely elusive. Here, with a focus on the difference between short-term and long-term PTI responses, we summarize what is known about microbial interference with host PTI, especially in the context of root microbiota. We emphasize some missing pieces that remain to be characterized to promote the ultimate understanding of the role of plant immunity in root-microbiota interactions.

An isoflavone catabolism gene cluster underlying interkingdom interactions in the soybean rhizosphere.
Noritaka Aoki, Tomohisa Shimasaki, Wataru Yazaki, Tomoaki Sato, Masaru Nakayasu, Akinori Ando, Shigenobu Kishino, Jun Ogawa, Sachiko Masuda, Arisa Shibata, Ken Shirasu, Kazufumi Yazaki, Akifumi Sugiyama
ISME communications, 4, 1, ycae052, 2024年01月, ［国際誌］
英語, 研究論文（学術雑誌）, Plant roots secrete various metabolites, including plant specialized metabolites, into the rhizosphere, and shape the rhizosphere microbiome, which is crucial for the plant health and growth. Isoflavones are major plant specialized metabolites found in legume plants, and are involved in interactions with soil microorganisms as initiation signals in rhizobial symbiosis and as modulators of the legume root microbiota. However, it remains largely unknown the molecular basis underlying the isoflavone-mediated interkingdom interactions in the legume rhizosphere. Here, we isolated Variovorax sp. strain V35, a member of the Comamonadaceae that harbors isoflavone-degrading activity, from soybean roots and discovered a gene cluster responsible for isoflavone degradation named ifc. The characterization of ifc mutants and heterologously expressed Ifc enzymes revealed that isoflavones undergo oxidative catabolism, which is different from the reductive metabolic pathways observed in gut microbiota. We further demonstrated that the ifc genes are frequently found in bacterial strains isolated from legume plants, including mutualistic rhizobia, and contribute to the detoxification of the antibacterial activity of isoflavones. Taken together, our findings reveal an isoflavone catabolism gene cluster in the soybean root microbiota, providing molecular insights into isoflavone-mediated legume-microbiota interactions.

Discovery of an isoflavone oxidative catabolic pathway in legume root microbiota
Noritaka Aoki, Tomohisa Shimasaki, Wataru Yazaki, Tomoaki Sato, Masaru Nakayasu, Akinori Ando, Shigenobu Kishino, Jun Ogawa, Sachiko Masuda, Arisa Shibata, Ken Shirasu, Kazufumi Yazaki, Akifumi Sugiyama
Cold Spring Harbor Laboratory, 2023年08月08日, ［筆頭著者］
Abstract

Isoflavones are major specialized metabolites found in legume plants, where they contribute to environmental adaptation. Isoflavones also play a role human health as promising therapeutic agents. This metabolite group is involved in interactions with soil microorganisms as initiation signals in rhizobial symbiosis and as modulators of the legume root microbiota. We previously reported that isoflavones enrich the Comamonadaceae, a predominant bacterial family in soybean roots, and that microorganisms in legume rhizosphere soil degrade isoflavones. However, the isoflavone catabolism pathway that underly the isoflavone-mediated legume–microbiota interactions have not yet been clarified. Here, we isolatedVariovoraxsp. strain V35, member of the Comamonadaceae that harbors isoflavone-degrading activity, from soybean roots and discovered a gene cluster responsible for isoflavone degradation namedifc. Strain V35 metabolizes isoflavones in a completely distinct oxidative manner from the reductive isoflavone metabolism pathway elucidated in the gut microbiota, in which resulting products enter the tricarboxylic acid cycle. The characterization ofifcmutants and heterologously expressed IFC enzymes revealed that isoflavones are catabolized via A-ring cleaving fission, which starts with hydroxylation at the 8-position of the A-ring. We further demonstrated thatifcgenes are frequently found in bacterial strains isolated from legume plants, including mutualistic rhizobia, and contribute to detoxification of the antibacterial activity of isoflavones. Taken together, our findings reveal an oxidative catabolism pathway of isoflavone in the soybean root microbiota, providing molecular insights into isoflavone-mediated legume–microbiota interactions.

Significance

Isoflavones play pivotal roles in plant-environment interactions and in the maintenance and improvement of human health. Bacterial metabolism is a fundamental component of isoflavone-mediated interkingdom interactions. In the human gut, intestinal bacteria convert isoflavones into equol, a highly bioactive compound. However, the fate of isoflavones in the legume rhizosphere has not been elucidated, despite them being the key signaling molecules for nodule symbiosis and modulation of the legume root microbiota. Here, we discovered a novel isoflavone catabolism pathway in the soybean root microbiota and demonstrated the strong association between bacterial catabolic abilities and their interactions with host plants. Collectively, our findings provide new insights into bacterial isoflavone metabolism and a molecular understanding of legume-microbiota interactions.

植物と微生物をつなぐ化学コミュニケーション
島﨑 智久
バイオミディア, 100, 4, 188, 2022年04月

Tobacco Root Endophytic Arthrobacter Harbors Genomic Features Enabling the Catabolism of Host-Specific Plant Specialized Metabolites
Tomohisa Shimasaki, Sachiko Masuda, Ruben Garrido-Oter, Takashi Kawasaki, Yuichi Aoki, Arisa Shibata, Wataru Suda, Ken Shirasu, Kazufumi Yazaki, Ryohei Thomas Nakano, Akifumi Sugiyama
mBio, 12, 3, American Society for Microbiology, 2021年06月29日, ［筆頭著者］
研究論文（学術雑誌）, Host secondary metabolites have a crucial effect on the taxonomic composition of its associated microbiota. It is estimated that a single plant species produces hundreds of secondary metabolites; however, whether different classes of metabolites have distinctive or common roles in the microbiota assembly remains unclear.

Nitrogen Deficiency-induced Bacterial Community Shifts in Soybean Roots
Wataru Yazaki, Tomohisa Shimasaki, Yuichi Aoki, Sachiko Masuda, Arisa Shibata, Wataru Suda, Ken Shirasu, Kazufumi Yazaki, Akifumi Sugiyama
Microbes and Environments, 36, 3, n/a, n/a, Japanese Society of Microbial Ecology, 2021年, ［筆頭著者］
研究論文（学術雑誌）

X-ray structures of fructosyl peptide oxidases revealing residues responsible for gating oxygen access in the oxidative half reaction
Tomohisa Shimasaki, Hiromi Yoshida, Shigehiro Kamitori, Koji Sode
Scientific Reports, 7, 1, Springer Science and Business Media LLC, 2017年06月05日, ［筆頭著者］
研究論文（学術雑誌）, Abstract

Current enzymatic systems for quantifying glycated hemoglobin are based on the FAD-containing enzyme fructosyl peptide oxidase (FPOX). FPOX has substrate specificity for fructosyl-^αN-valyl-histidine derived from proteolytic digestion of the N-terminus of the HbA1c β-chain. This study reports the X-ray structures of the wild-type and Asn56Ala (N56A) mutant of Phaeosphaeria nodorum fructosyl peptide oxidase (PnFPOX) to elucidate the residues responsible for the oxidative half-reaction. N56A showed decreased oxidase activity compared to the wild -type, while its dye-mediated dehydrogenase activity was higher than that of wild type. In wild-type PnFPOX, Asn56 forms a hydrogen bond with Lys274, thereby preventing it from forming a salt bridge with Asp54. By contrast, Lys274 of PnFPOX N56A moves toward Asp54, and they approach each other to form a salt bridge at a distance of 2.92–3.35 Å. Site-directed mutagenesis studies and protein channel analysis suggest that Asp54 assists in accepting oxygen properly at the position of the bound water molecule in the main oxygen channel. These results reveal that Asn56 in PnFPOX is essential for maintaining an effective oxygen accession path, and support the role of Asp54 as a gate keeper that cooperates with Lys274 to enable oxygen to reach the active site properly.

イソフラボン構造多様性がダイズ-根圏細菌相互作用に与える影響の探索
佐藤友昭, 松田陽菜子, 高松恭子, 青木愛賢, 安藤晃規, 岸野重信, 小川順, 増田幸子, 柴田ありさ, 白須賢, 島崎智久, 矢崎一史, 杉山暁史, 植物微生物研究会研究交流会講演要旨集, 32nd, 2023年

植物マイクロバイオータによる傷害応答シグナル伝達の干渉
島崎智久, 島崎智久, 大熊直, 能勢結衣, 熊石妃恵, 庄司翼, 庄司翼, 矢崎一史, 杉山暁史, 市橋泰範, 日本植物学会大会研究発表記録(CD-ROM), 87th, 2023年

ダイズ根圏でのイソフラボン分解に関与する遺伝子の同定
青木愛賢, 島崎智久, 島崎智久, 矢崎渉, 中安大, 安藤晃規, 岸野重信, 小川順, 増田幸子, 柴田ありさ, 須田亙, 白須賢, 矢崎一史, 杉山暁史, 日本農芸化学会大会講演要旨集(Web), 2022, 2022年

ダイズ根圏細菌Variovorax sp.におけるイソフラボン分解に関与する遺伝子の同定
青木愛賢, 島崎智久, 島崎智久, 矢崎渉, 中安大, 安藤晃規, 岸野重信, 小川順, 増田幸子, 柴田ありさ, 須田亙, 白須賢, 矢崎一史, 杉山暁史, 植物微生物研究会研究交流会講演要旨集, 31st, 2022年

Arthrobacter属細菌におけるニコチン分解遺伝子群の比較ゲノム解析
島崎智久, 増田幸子, 柴田ありさ, 須田亙, 白須賢, 矢崎一史, 市橋泰範, 杉山暁史, 中野亮平, 日本農芸化学会大会講演要旨集(Web), 2022, 2022年

Rhizobium rhizogenes由来T-DNAによるサントパイン生産がタバコ根圏微生物叢に与える影響
島崎智久, 川崎崇, 矢崎一史, 杉山暁史, 植物微生物研究会研究交流会講演要旨集, 29th, 2019年

窒素欠乏条件下におけるダイズ根細菌叢の変化
矢崎渉, 島崎智久, 矢崎一史, 杉山暁史, 植物微生物研究会研究交流会講演要旨集, 29th, 2019年

Arthrobacter属細菌におけるニコチン分解遺伝子群の比較ゲノム解析　　　　　　　　　　　　　　　
島﨑 智久, 増田 幸子, 柴田 ありさ, 須田 亙, 白須 賢, 矢﨑 一史, 市橋 泰範, 杉山 暁史, 中野 亮平
日本農芸化学会 2022年度大会, 2022年03月18日

ダイズ根圏でのイソフラボン分解に関与する遺伝子の同定　　　　　　　　　　　　　　　
青木 愛賢, 島﨑 智久, 矢崎 渉, 中安 大, 安藤 晃規, 岸野 重信, 小川 順, 増田 幸子, 柴田 ありさ, 須田 亙, 白須 賢, 矢﨑 一史, 杉山 暁史
日本農芸化学会 2022年度大会, 2022年03月18日

特化代謝産物を介したタバコ–Arthrobacter間相互作用の解析　　　　　　　　　　　　　　　
島﨑 智久, 増田 幸子, Ruben Garrido-Oter, 川崎 崇, 青木 裕一, 柴田 ありさ, 須田 亙, 白須 賢, 矢﨑 一史, 中野 亮平, 杉山 暁史
植物微生物研究会第30回研究交流会, 2021年09月10日

サントパインを介したタバコ-Arthrobacter相互作用の解析　　　　　　　　　　　　　　　
島﨑智久, 川崎崇, 青木裕一, 矢崎一史, 杉山暁史
第61回日本植物生理学会年会, 2020年03月19日

窒素欠乏条件下におけるダイズ細菌叢の変化　　　　　　　　　　　　　　　
矢崎渉, 島﨑智久, 矢崎一史, 杉山暁史
植物微生物研究会第29回研究交流会, 2019年09月19日

Rhizobium rhizogenes由来T-DNAによるサントパイン生産が タバコ根圏微生物叢に与える影響　　　　　　　　　　　　　　　
島﨑 智久, 川崎 崇, 青木 裕一, 矢崎 一史, 杉山 暁史
植物微生物研究会第29回研究交流会, 2019年09月19日

Analysis of the function of santhopine, an amadori-type opine, in tobacco rhizosphere　　　　　　　　　　　　　　　
Tomohisa SHIMASAKI, Takashi KAWASAKI, Yuichi AOKI, Kazufumi YAZAKI, Akifumi SUGIYAMA
Rhizosphere5, 2019年07月08日

Analysis of the effects of sathopine on the soil bacterial communities and isolation of santhopine degrading bacteria　　　　　　　　　　　　　　　
Tomohisa SHIMASAKI, Takashi KAWASAKI, Yuichi AOKI, Kazufumi YAZAKI, Akifumi SUGIYAMA
5th Asian Conference on Plant-Microbe Symbiosis and Nitrogen Fixation, 2019年05月16日

タバコ根圏におけるサントパイン資化菌の探索　　　　　　　　　　　　　　　
島﨑 智久, 川崎 崇, 青木 裕一, 矢崎 一史, 杉山 暁史
日本農芸化学会 2019年度大会, 2019年03月26日

Analysis of santhopine, an Amadori compound, in rhizosphere　　　　　　　　　　　　　　　
Tomohisa SHIMASAKI, Takashi KAWASAKI, Kazufumi YAZAKI, Akifumi SUGIYAMA
The 3rd Asia Research Node (ARN) Symposium on Humanosphere Science, 2018年09月26日

タバコにおけるサントパインの生合成及び分泌の解析　　　　　　　　　　　　　　　
島﨑 智久, 川崎 崇, 矢崎 一史, 杉山 暁史
第28回植物微生物研究会, 2018年09月21日

サントパイン分解能を有する根粒菌の探索とその特性評価　　　　　　　　　　　　　　　
島﨑智久, 元 坤, 岡崎 伸, 藤井義晴
日本農芸化学会 2019年度大会, 2018年03月17日

santhopine 分解能を有する根粒菌の探索とその代謝遺伝子の同定　　　　　　　　　　　　　　　
島﨑智久, 元 坤, 岡崎 伸, 藤井義晴
第27回植物微生物研究会, 2017年09月21日

Phaeosphaeria nodorum由来フルクトシルペプチド酸化酵素のX線結晶構造解析　　　　　　　　　　　　　　　
島﨑 智久, 吉田 裕美, 小島 勝博, 津川 若子, 早出 広司
日本化学会第96春季年会2016, 2016年03月

ゲノム情報より見出された真菌由来フルクトシルペプチド酸化酵素の組換え生産　　　　　　　　　　　　　　　
島﨑 智久, 小島 勝博, 津川 若子, 早出 広司
酵素工学研究会, 2015年10月06日, ポスター発表
2015年10月06日

複数のイソフラボン代謝経路が織りなす根圏生物間相互作用の解明
科学研究費助成事業
2024年04月01日 - 2027年03月31日
杉山 暁史, 安藤 晃規, 島崎 智久
日本学術振興会, 基盤研究(B), 京都大学, 24K01894

メンブレンベシクルゲノム解析による根圏細菌間相互作用の解明
科学研究費助成事業
2022年04月22日 - 2025年03月31日
島崎 智久
日本学術振興会, 特別研究員奨励費, 国立研究開発法人理化学研究所, 22J01184

サントパインを介したタバコ-根圏細菌相互作用のマルチオミクス解析　　　　　　　　　　　　　　　
若手研究者海外挑戦プログラム
2022年03月 - 2022年07月
島崎 智久
日本学術振興会 科学研究費助成事業, 研究代表者

根圏生態系における糖化アミノ酸代謝が果たす役割の解明
科学研究費助成事業
2018年04月25日 - 2021年03月31日
島崎 智久
前年度までに単離したタバコ根、サントパインまたはニコチン添加土壌由来Arthrobacter属細菌のなかから代表菌株を20菌株選定し、PacBioシーケンサーを用いて全ゲノム解析を行った。これらに公共データベースから取得したArthrobacter属細菌のゲノム情報を加え、合計99菌株からなるpan-genomeを構築し比較ゲノム解析を行うことで、Arthrobacter属細菌のタバコ根への適応機構を明らかにすることを目指した。
全ゲノム情報を用いた系統解析の結果、Arthrobacter属細菌が大きく3つの亜系統に分類されることが明らかになった。3亜系統のうち一つは動物や食品などを単離源とする菌株によって構成された一方、残りの2亜系統は主に植物や土壌由来の単離株によって構成された。このことから土壌や植物環境への適応がArthrobacter属細菌の種分化を駆動したと考えられた。
タバコ根由来単離株の多くは単一亜系統に属しており、この亜系統は他の亜系統と比べ糖やアミノ酸代謝関連遺伝子を多く有していたことから、糖、アミノ酸代謝能が植物根への定着に寄与することが推察された。また、タバコ根由来単離株はサントパインおよびニコチン分解遺伝子を有していたことから、タバコ特異的な特化代謝産物の分解能がArthrobacter属細菌のタバコ根への定着や他の細菌種との競合に寄与することが明らかとなった。ニコチン分解遺伝子はニコチンが存在する環境から単離された菌株のみから同定されその系統内分布は系統関係を反映していなかった。このことからArthrobacter属細菌はニコチン存在下において水平伝播によりニコチン分解遺伝子を獲得しニッチを形成することが示唆された。
日本学術振興会, 特別研究員奨励費, 京都大学, 18J22362