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

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窒素栄養に応じて根粒共生を制御する仕組みの発見

平成30年2月5日

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。

筑波大学 生命環境系 寿崎 拓哉 准教授(つくば機能植物イノベーション研究センター)、西田 帆那(総合研究大学院大学 大学院生)らの研究グループは、基礎生物学研究所、東京理科大学との共同研究により、NITRATE UNRESPONSIVE SYMBIOSIS 1(NRSYM1)と名付けた転写因子注1)が土壌中の窒素栄養に応答して根粒共生注2)を抑制することを発見しました。

マメ科植物は土壌中の根粒菌と根粒共生を行い、根粒菌の窒素固定注3)によって、窒素栄養が乏しい環境でも大気中の窒素を利用しています。ただし、宿主植物は光合成産物を根粒菌にエネルギー源として供給しなければいけません。そこで宿主植物は、窒素栄養が土壌中に十分に存在する場合には、根粒共生を抑制し、共生に伴うエネルギーの消費を抑えることが知られていましたが、その制御に関わる分子機構の理解は進んでいませんでした。

本研究グループは、マメ科のモデル植物であるミヤコグサ注4)を用いた突然変異体のスクリーニングによって変異体nrsym1を単離しました。このnrsym1変異体は、野生型植物では根粒共生を抑制するような高濃度の硝酸を添加した条件でも、共生を抑制することができませんでした。このことから変異の原因遺伝子であるNRSYM1遺伝子は、根粒の数を制御するペプチド性シグナル因子CLE-RS2の生産を誘導していて、高濃度の硝酸に応答した根粒共生の抑制を制御する因子であることがわかりました。さらにNIN-LIKE PROTEIN (NLP)と呼ばれるタイプの転写因子をコードすることを特定しました。

硝酸による根粒共生の抑制において中心的な役割を果たすと考えられるNRSYM1転写因子の発見は、植物がどのように土壌中の窒素栄養環境に応答して根粒共生を適切に制御しているかという長年解明できなかった問題の理解に向けた重要な基礎的知見を提供するものです。また、NRSYM1の解析から得られた知見は、大豆栽培における肥料管理など、根粒共生を利用した持続可能な農業の実現のためにも役立つことが期待されます。

本研究の成果は、2018年2月5日(日本時間)付で「Nature Communications」で公開される予定です。

本研究は、科学研究費補助金 新学術領域研究「植物の成長可塑性を支える環境認識と記憶の自律分散型統御システム」の助成によって実施され、科学技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業 総括実施型研究(ERATO)「野村集団微生物制御プロジェクト」の一環で行われました。

<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。

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