根粒菌とマメ科植物のせめぎ合いのメカニズム

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根粒菌分泌タンパク質が共生を流産させる仕組みの発見

2018/08/10 東北大学,農業・食品産業技術総合研究機構,鹿児島大学,九州大学

【発表のポイント】

  1. 長年未解明だった特定のダイズ品種と特定の根粒菌株が共生できない現象(共生不和合性:注1)は、根粒菌の3型分泌タンパク質(注2)の一つであるNopP(ノップピー)のアミノ酸変異が原因であることを発見しました。
  2. 微生物への植物の免疫系や根粒菌の共進化機構の解明とマメ科作物の持続的栽培における根粒菌利用への貢献が期待されます。

【概要】

根粒菌はマメ科植物の根に根粒を形成し、共生窒素固定を行う土壌細菌で、窒素循環の上で大変重要な位置を占めています。しかし、特定のダイズ品種と特定の根粒菌株が共生できない現象(共生不和合)が知られており、そのメカニズムは未解明のままでした。

東北大学大学院生命科学研究科の菅原助教と南澤教授らのグループは、農業・食品産業技術総合研究機構の梅原洋佐 上級研究員、鹿児島大学の鶴丸博人 助教、九州大学の山川武夫 准教授と共同で、共生不和合の仕組みを報告しました。根粒菌の分泌タンパク質の一つであるNopP(ノップピー)のアミノ酸変異が原因となり、ダイズ宿主植物のRタンパク質(注3)の一種であるRj2(ラージアールジェーツー)タンパク質を介して強力な宿主免疫系が起動され、根粒菌の初期感染過程を抑えることを明らかにしました。本研究の成果は、微生物に対する高等生物の免疫系や共生微生物の進化に関する基礎研究とマメ科作物の持続的栽培における根粒菌利用への貢献が期待される重要な報告です。本研究結果は、 Springer Nature (UK)発行の科学誌『ネイチャー・コミュニケーションズ』 (Nature Communications)のオンライン版において、2018年8月7日午後6時(日本時間)に公開されました。本研究は、文部科学省科学研究費補助金の支援を受けて行われました。

【用語説明】

注1 共生不和合性:本来は共生窒素固定が可能な菌と植物であるにも関わらず、特定の遺伝型のマメ科植物と特定の根粒菌株が共生できない現象で、研究が進んでいたダイズとダイズ根粒菌では1966年に発見されているが今までそのメカニズムはほとんど分からなかった。

注2 3型分泌タンパク質:3型タンパク質分泌系より分泌されるタンパク質であり、エフェクターとも呼ばれる。3型タンパク質分泌系は細菌から高等動植物の細胞へ直接タンパク質を撃ち込む装置であり、鞭毛と起源を一にし、赤痢菌や植物病原菌が宿主に病原因子などを撃ち込むことから、通称「毒針」と言われる。共生菌である根粒菌も3型タンパク質分泌系とエフェクターを保有しているが、その理由は十分明らかになっていない。

注3 Rタンパク質:植物に病害を与える病原菌は、植物細胞内にエフェクターと呼ばれるタンパク質を注入して植物の防御機構を撹乱・回避することにより感染を可能にしている。これに対し植物は、抵抗性タンパク質(Rタンパク質)を含む複合体による、病原菌の特異的認識と抵抗性発現により耐性を獲得する機構を備えている。近年、Rタンパク質複合体構成因子の単離と生化学的解析を基盤として、その活性化メカニズムの解明が進行中である。

図1.  NopPタンパク質のアミノ酸残基の相違がRj2ダイズとの共生に及ぼす影響(a)NopPのアミノ酸残基のB. diazoefficiens USDA 122株と USDA110株との間の相違。 (b)USDA 122,110TおよびそれらのnopP交換株(122nopP110, 110nopP122)接種後28日目のRj2ダイズHardeeの地上部および根 (c)接種28日後に根に形成された根粒数

詳細(プレスリリース本文)

問い合わせ先

(研究に関すること)
東北大学大学院工学研究科
担当 教授 南澤 究 (みなみさわ きわむ)
助教 菅原雅之 (すがわら まさゆき)

(報道に関すること)
東北大学大学院生命科学研究科広報室
担当 高橋 さやか (たかはし さやか)

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