根粒菌との共生にかけるマメ科植物のエネルギー節約術

2018-02-05 筑波大学,自然科学研究機構 基礎生物学研究所,科学技術振興機構（ＪＳＴ）

ポイント

• 根粒菌と共生して大気中の窒素を利用するマメ科植物が、土壌中の窒素栄養が豊富な場合に根粒共生を抑制する転写因子ＮＲＳＹＭ１を発見しました。
• 長年未解明だった根粒共生に伴うエネルギー消費を抑える仕組みに関する初めての発見です。
• 窒素肥料の効率的な管理など、マメ科作物の持続可能な農業実現への貢献が期待されます。

＜研究の背景＞

窒素は、植物が生きる上で必須の栄養素です。しかし、窒素は大気中にたくさん存在するにもかかわらず、多くの植物はその窒素を直接利用することができません。そのため、土壌中に存在する窒素栄養（主に硝酸やアンモニア）を利用して生きています。ところがマメ科植物は、土壌中の窒素栄養が乏しい環境でも生育することが可能です。それは、根に根粒と呼ばれるこぶ状の器官を形成し、その中に、大気中の窒素を植物が利用できる形に変換してくれる根粒菌（窒素固定細菌）を共生させているからです。しかし、根粒菌と共生するにあたっては、植物が自ら生産した光合成生産物を、窒素固定反応などのエネルギー源として根粒菌へ供給しなければなりません。そのため、宿主植物は光合成産物を消費しすぎることで成長に悪影響を及ぼさないように、自身の根に作る根粒の数を適切に保つ必要があり、そのための仕組みを備えています。また、土壌中に窒素栄養が豊富に存在する場合には、そちらを優先的に利用することができるので、エネルギーのかかる根粒菌との共生をやめて光合成産物の消費を抑えています。この土壌中の窒素栄養に応答した根粒共生の抑制は、古くから知られた現象であるものの、その制御機構についての理解はあまり進んでいませんでした。

＜研究内容と成果＞

本研究では、マメ科のモデル植物であるミヤコグサを用いて、窒素栄養（硝酸）が豊富に存在する土壌でも根粒を形成するような突然変異体のスクリーニングを行い、新しい変異体を単離してｎｉｔｒａｔｅ ｕｎｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅ ｓｙｍｂｉｏｓｉｓ １ （ｎｒｓｙｍ１）と名付けました。ｎｒｓｙｍ１変異体は、窒素栄養を含まない土壌では野生型と同様の根粒共生を示します。高濃度の硝酸を添加した場合、野生型の植物は根粒を作らなくなりますが、ｎｒｓｙｍ１変異体は窒素栄養を含まない条件とほとんど変わらない成熟した根粒を形成しました（図１）。したがって、ＮＲＳＹＭ１遺伝子は、高濃度の硝酸に応答して引き起こされる根粒共生を抑制する因子であることがわかりました。ｎｒｓｙｍ１変異体の原因遺伝子を特定したところ、ＮＩＮ－ＬＩＫＥ ＰＲＯＴＥＩＮ （ＮＬＰ）と呼ばれるタイプの転写因子をコードしていることが明らかになりました。シロイヌナズナなどの研究から、ＮＬＰは植物が硝酸に応答してさまざまな遺伝子の発現を制御する硝酸応答の中心的な役割を担う因子であることが示唆されています。

これまでの研究から、宿主植物が備えている根粒の数を適切に保つ仕組みは、根と地上部を介した全身的なシグナル伝達（Ａｕｔｏｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＡＯＮ注５）と呼ばれる）によって制御されていることが明らかにされています。しかもこのＡＯＮは、窒素栄養に応答した根粒共生の抑制にも関わっている可能性が示唆されていました。野生型植物では、ＡＯＮにおいて根粒菌の感染を根から地上部へ伝えるためのシグナルとして働くＣＬＥペプチド遺伝子の１つであるＣＬＥ－ＲＳ２遺伝子の発現が、根粒菌の感染だけでなく硝酸によっても強く誘導されます。一方、ｎｒｓｙｍ１変異体では、硝酸を添加してもＣＬＥ－ＲＳ２遺伝子の発現は誘導されないため、硝酸に応答したＣＬＥ－ＲＳ２遺伝子の発現をＮＲＳＹＭ１転写因子が制御している可能性が考えられました。そこで、ＣＬＥ－ＲＳ２遺伝子がＮＲＳＹＭ１の直接の標的遺伝子であるかを検証した結果、ＮＲＳＹＭ１転写因子は硝酸に応答してＣＬＥ－ＲＳ２遺伝子の発現を直接誘導し、ＡＯＮと同様の機構を用いて全身的に根粒の数を制御していることが明らかになりました（図２）。

また、ＮＲＳＹＭ１タンパク質の細胞内局在を調べてみると、ＮＲＳＹＭ１タンパク質は硝酸添加時には核に局在し、無窒素の条件では核への局在がほとんど見られなくなることがわかりました（図３）。したがって無窒素条件では核の外にいるＮＲＳＹＭ１が、硝酸に応答して核に移行し、標的遺伝子の発現を誘導することで、硝酸（窒素栄養）が豊富に存在する場合には根粒共生を抑制する可能性が示唆されました。

＜今後の展開＞

本研究によって、ＮＲＳＹＭ１転写因子が硝酸に応答した根粒共生制御の中心的な働きを担うことが明らかになりました。ＮＲＳＹＭ１は、さまざまな下流因子を使い分けることで根粒共生を多面的に制御していると予想されます。今後はＣＬＥ－ＲＳ２遺伝子以外のＮＲＳＹＭ１標的遺伝子を同定することで、硝酸に応答した根粒共生の制御機構の全容解明に迫っていきたいと考えています。窒素栄養に応答した根粒共生の抑制の仕組みを理解することは、窒素肥料と根粒共生による窒素源の獲得の両立のために重要であり、ＮＲＳＹＭ１の研究から得られた知見は、マメ科作物の効率的な肥料管理など、持続可能な農業の実現に貢献する可能性が期待できます。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１）転写因子

ＤＮＡ配列に特異的に結合し、標的となる遺伝子の発現を調節する機能を持つタンパク質の総称。

注２）根粒共生

マメ科植物は土壌中に存在する根粒菌との相互作用によって根に根粒と呼ばれる器官を形成する。根粒の中には根粒菌が共生しており、大気中の窒素を固定する。宿主植物は根粒菌から固定された窒素源を受けとる代わりに、エネルギー源として光合成産物を根粒菌に与える。

注３）窒素固定

大気中の窒素を植物が利用できるアンモニアの形に変換する反応。根粒共生においては、根粒に細胞内共生する根粒菌が行っている。

注４）ミヤコグサ

マメ科のモデル植物。ゲノムサイズが比較的小さく、形質転換法が確立されているなどの理由から遺伝学実験に適しており、植物微生物相互作用の研究材料として広く利用されている。

注５）ＡＯＮ （Ａｕｔｏｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｏｄｕｌａｔｉｏｎ）

マメ科植物が備える根粒の数を適切に保つための全身的な根粒形成の抑制機構。根粒菌が感染すると、根でシグナル分子（ＣＬＥペプチド）が生産されて地上部へ移動し根粒菌が感染したことを伝える。地上部で働くシグナルの受容体（ＨＡＲ１）によりその情報が受けとられると、今度は地上部から根へと根粒形成を抑制するためのシグナルが送られ、根では新しい根粒形成が抑えられる。宿主植物はこの仕組みを用いて、根粒を過剰に形成してしまうことを防いでいる。

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