複合的な不均一環境における根粒共生を介した窒素栄養獲得の統御機構

• Project Area: Multi-layered regulatory system of plant resilience under fluctuating environment
• Project/Area Number: 20H05908
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (III)
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 壽崎 拓哉 筑波大学, 生命環境系, 准教授 (40575825)
• Project Period (FY): 2020-11-19 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥48,230,000 (Direct Cost: ¥37,100,000、Indirect Cost: ¥11,130,000); Fiscal Year 2024: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000); Fiscal Year 2023: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000); Fiscal Year 2022: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000); Fiscal Year 2021: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000); Fiscal Year 2020: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
• Keywords: 窒素栄養 / 環境適応 / 根粒共生 / 窒素応答 / 根粒形成 / 植物微生物共生 / 環境応答 / 長距離シグナル伝達 / 不均一環境 / 長距離移行シグナル / 器官間コミュニケーション / 転写因子 / ミヤコグサ / 長距離シグナリング

Outline of Research at the Start

マメ科植物は様々な環境要素の変化に柔軟に応答して窒素栄養獲得器官である根粒の形成を調節する。これまでに研究代表者は窒素栄養が十分な環境では植物は根-地上部-根を介した器官間コミュニケーションにより根粒形成を抑制することを明らかにしてきた。その一方で、本制御系の詳細を理解するために必須な因子の多くは未同定であり、より自然に近い不均一環境下での窒素応答制御システムの理解も不十分である。本研究では、不均一窒素栄養環境条件における上述の器官間コミュニケーションの分子基盤解明と複合的な環境要素の変化が根粒形成の制御へと統合される機構の解明に取り組むことで、植物の環境適応機構の深い理解を得ることを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

土壌中に窒素栄養が豊富に存在する環境では根粒形成が抑制されることが知られている。これまでこの制御に異常を示すnrsymと名付けたミヤコグサのEMS変異体を単離し、それらを用いた分子遺伝学的な解析を行ってきた。その結果、2つのNLP転写因子NRSYM1/LjNLP4およびNRSYM2/LjNLP1が硝酸態窒素に応答した根粒形成遺伝子の発現制御に関わることや硝酸イオン輸送体NRSYM3/LjNRT2.1がNLP依存的な遺伝子発現制御を仲介する機能をもつことを明らかにしてきた。これまでの研究では順遺伝学的なアプローチは有効に作用してきたが、この手法では特定することのできる遺伝子の数は飽和状態に近いことが考えられた。そこで、ミヤコグサの国内野生系統に着目し、自然変異を利用して新規因子を同定することを試みた。まず、硝酸存在下における根粒形成を調べたところ、系統間で表現型に大きなバリエーションがあることが分かった。硝酸応答の表現型を指標にしてGWASを行い、新規因子をいくつか同定した。
NLPとNINは同一の転写因子ファミリーに属しているが、それぞれ硝酸シグナリング、根粒形成シグナリングにおいてマスターレギュレーターとして機能する。NLPとNINはDNA結合ドメインが高度に保存されており、共通した標的遺伝子をもつ一方で、根粒形成の正の制御遺伝子のプロモーター上に存在するシス配列にはNINのみが結合することが分かっている。これまでの研究により、このNLPとNINのDNA結合特異性の違いを生み出している新規モチーフを同定している。今年度はCRISPR-Cas9システムにより、このモチーフを特異的に欠失させた植物を作出した。その表現型を解析したところ、根粒形成に著しい影響が出ることが分かり、根粒形成の制御におけるこのモチーフの重要性が示された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

並行して進めている複数の研究項目について着実に研究成果が蓄積しており、一部については論文発表につながっているため。

Strategy for Future Research Activity

並行して進めている複数の研究項目について、詰めの実験を行い論文発表に必要なデータを取得する。

Research Products

• [Journal Article] IMA peptides regulate root nodulation and nitrogen homeostasis by providing iron according to internal nitrogen status (2024)
  • Author(s): Ito Momoyo、Tajima Yuri、Ogawa-Ohnishi Mari、Nishida Hanna、Nosaki Shohei、Noda Momona、Sotta Naoyuki、Kawade Kensuke、Kamiya Takehiro、Fujiwara Toru、Matsubayashi Yoshikatsu、Suzaki Takuya
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 15 Issue: 1 Pages: 733-733
  • DOI: 10.1038/s41467-024-44865-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Developing for nutrient uptake: Induced organogenesis in parasitic plants and root nodule symbiosis (2023)
  • Author(s): Cui Songkui、Inaba Shoko、Suzaki Takuya、Yoshida Satoko
  • Journal Title: Current Opinion in Plant Biology Volume: 76 Pages: 102473-102473
  • DOI: 10.1016/j.pbi.2023.102473
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An improved method for the highly specific detection of transcription start sites (2023)
  • Author(s): Seki Masahide、Kuze Yuta、Zhang Xiang、Kurotani Ken-ichi、Notaguchi Michitaka、Nishio Haruki、Kudoh Hiroshi、Suzaki Takuya、Yoshida Satoko、Sugano Sumio、Matsushita Tomonao、Suzuki Yutaka
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 52 Issue: 2 Pages: e7-e7
  • DOI: 10.1093/nar/gkad1116
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Staying hungry: a roadmap to harnessing central regulators of symbiotic nitrogen fixation under fluctuating nitrogen availability (2023)
  • Author(s): Qiao Lijin、Lin Jieshun、Suzaki Takuya、Liang Pengbo
  • Journal Title: aBIOTECH Volume: 5 Issue: 1 Pages: 107-113
  • DOI: 10.1007/s42994-023-00123-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 細菌と植物のコミュニケーションー根粒共生を例にしてー (2023)
  • Author(s): 野田桃菜、落合美智、深谷夢夏、壽崎拓哉
  • Journal Title: 生物の科学 遺伝 Volume: 77 Pages: 436-443
• [Journal Article] Root nodule organogenesis: a unique lateral organogenesis in legumes (2023)
  • Author(s): Takuya Suzaki
  • Journal Title: Breeding Science Volume: 73 Issue: 1 Pages: 70-75
  • DOI: 10.1270/jsbbs.22067
  • ISSN: 1344-7610, 1347-3735
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] <i>Lotus japonicus</i> NLP1 and NLP4 transcription factors have different roles in the regulation of nitrate transporter family gene expression (2022)
  • Author(s): Hanna Nishida、Takuya Suzaki
  • Journal Title: Genes & Genetic Systems Volume: 97 Issue: 5 Pages: 257-260
  • DOI: 10.1266/ggs.22-00104
  • ISSN: 1341-7568, 1880-5779
  • Year and Date: 2022-10-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nitrate transport via NRT2.1 mediates NIN-LIKE PROTEIN-dependent suppression of root nodulation in Lotus japonicus (2022)
  • Author(s): Misawa Fumika、Ito Momoyo、Nosaki Shohei、Nishida Hanna、Watanabe Masahiro、Suzuki Takamasa、Miura Kenji、Kawaguchi Masayoshi、Suzaki Takuya
  • Journal Title: The Plant Cell Volume: 34 Issue: 5 Pages: 1844-1862
  • DOI: 10.1093/plcell/koac046
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Different DNA-binding specificities of NLP and NIN transcription factors underlie nitrate-induced control of root nodulation (2021)
  • Author(s): Nishida Hanna、Nosaki Shohei、Suzuki Takamasa、Ito Momoyo、Miyakawa Takuya、Nomoto Mika、Tada Yasuomi、Miura Kenji、Tanokura Masaru、Kawaguchi Masayoshi、Suzaki Takuya
  • Journal Title: The Plant Cell Volume: online published Issue: 7 Pages: 2340-2359
  • DOI: 10.1093/plcell/koab103
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Editorial: Nutrient Dependent Signaling Pathways Controlling the Symbiotic Nitrogen Fixation Process (2021)
  • Author(s): Suzaki Takuya、Valkov Vladimir Totev、Chiurazzi Maurizio
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 12 Pages: 744450-744450
  • DOI: 10.3389/fpls.2021.744450
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] NIN転写因子のPB1ドメインの役割 (2024)
  • Author(s): 野田桃菜; 伊藤百代; 壽崎 拓哉
  • Organizer: 第65回日本植物生理学会年会
• [Presentation] ミヤコグサの硝酸応答におけるNRT3.1の機能 (2024)
  • Author(s): 落合美智; 野田桃菜; 伊藤百代; 壽崎 拓哉
  • Organizer: 第65回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 根粒共生および窒素恒常性を制御するペプチドシグナル (2024)
  • Author(s): 壽崎 拓哉
  • Organizer: 第65回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 転写因子ファミリー内での比較解析から根粒共生獲得の軌跡を探る (2024)
  • Author(s): 野﨑 翔平; 野田 桃菜; 小野田 浩宜; 三浦謙治; 壽崎 拓哉
  • Organizer: 日本農芸化学会2024年度大会
• [Presentation] 根粒形成に必要不可欠な鍵転写因子の生化学的研究 (2023)
  • Author(s): 野﨑 翔平; 野田 桃菜; 三浦 謙治; 壽崎 拓哉
  • Organizer: 日本農芸化学会関東支部2023年度大会
• [Presentation] A novel motif of NIN determines its different DNA-binding specificity from NLPs (2023)
  • Author(s): Nosaki Shohei; Noda Momona; Miura Kenji; Suzaki Takuya
  • Organizer: 15th European Nitrogen Fixation Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A nitrogen-induced peptide mediates nutrient-dependent regulation of root nodule symbiosis (2023)
  • Author(s): Suzaki Takuya
  • Organizer: 15th European Nitrogen Fixation Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] NIN 転写因子の特異的配列に基づく遺伝子発現制御機構 (2023)
  • Author(s): 野﨑 翔平; 野田 桃菜; 三浦 謙治; 壽崎 拓哉
  • Organizer: 植物微生物研究会 第32回研究交流会
• [Presentation] Adaptive mechanisms of leguminous plants to nitrogen environment (2023)
  • Author(s): Suzaki Takuya
  • Organizer: 38th IPSR International Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 根粒形成の鍵転写因子NINの機能未知領域に関する研究 (2023)
  • Author(s): 野田 桃菜; 西田 帆那; 伊藤 百代; 壽崎 拓哉
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 根粒形成を促進する鍵転写因子のDNA結合特性に関する研究 (2023)
  • Author(s): 野崎 翔平; 野田 桃菜; 三浦 謙治; 壽崎 拓哉
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 硝酸態窒素による根粒形成制御に関わる自然変異の同定 (2023)
  • Author(s): 伊藤 百代; 番場 大; 陳 漢謀; 野崎 翔平; 田島 由理; 三浦 謙治; 佐藤 修正; 壽崎 拓哉
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 窒素栄養に応じた全身的・根局所的な根粒形成制御 (2022)
  • Author(s): 壽崎 拓哉
  • Organizer: 日本植物学会第 86 回大会
  • Invited
• [Presentation] 硝酸態窒素による根粒の早期老化における LjNLP4/1 の働き (2022)
  • Author(s): 藤戸冴佳; 伊藤百代; 壽崎 拓哉
  • Organizer: 植物の栄養研究会第 7 回交流会
• [Presentation] 根粒形成開始マスターレギュレーターNIN 転写因子の根粒成熟過程における機能 (2022)
  • Author(s): 野田桃菜; 西田帆那; 伊藤百代; 壽崎 拓哉
  • Organizer: 植物の栄養研究会第 7 回交流会
• [Presentation] 硝酸態窒素に応じた根粒共生制御の分子機構 (2022)
  • Author(s): 壽崎 拓哉
  • Organizer: 植物の栄養研究会第 7 回交流会
  • Invited
• [Presentation] 硝酸による根粒共生抑制と炭素利用の関与 (2021)
  • Author(s): 渡部 将弘; 西田 帆那; 伊藤 百代; 壽崎 拓哉
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 硝酸存在下における遺伝子発現の正負の制御を介した根粒形成抑制 (2021)
  • Author(s): 野崎翔平; 西田 帆那; 三澤 文香; 伊藤 百代; 鈴木 孝征; 宮川 拓也; 川口 正代司; 田之倉 優; 三浦 謙治; 壽崎 拓哉
  • Organizer: 日本植物学会第85回大会
• [Presentation] Molecular basis of nitrate-induced control of symbiotic gene expression during nodulation (2021)
  • Author(s): Suzaki Takuya
  • Organizer: The 14th European Nitrogen Fixation Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] マメ科植物の窒素栄養環境適応機構 (2021)
  • Author(s): 壽崎 拓哉
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Remarks] 植物が共生菌への鉄供給によって窒素を得る仕組みを解明
  • URL: https://www.tsukuba.ac.jp/journal/biology-environment/20240129190000.html