Co-evolution between bradyrhizobia and plants: Experimental evolution of rhizobia and endophytes

• Project/Area Number: 18H02112
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 38010:Plant nutrition and soil science-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 南澤 究 東北大学, 生命科学研究科, 特任教授 (70167667)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 三井 久幸 東北大学, 生命科学研究科, 准教授 (40261466) ; 菅原 雅之 東北大学, 生命科学研究科, 助教 (90742776)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2019: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2018: ¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
• Keywords: 根粒菌 / 窒素固定 / エフェクター誘導性免疫 / 実験室進化 / ブラディリゾビウム属 / ダイズ / 共生 / エンドファイト / ソルガム / ブラディリゾビウム / ゲノム進化 / 微生物接種資材

Outline of Annual Research Achievements

(i)Bradyrhizobium属根粒菌の共生アイランドの動的進化の解明
前年度sacB選抜とRj2ダイズ選抜の欠失パターンが異なっていた。sacB特異的な欠失株をRj2ダイズに接種を行ったところ、（競合的）根粒形成能が明らかに低下していた。したがって、Bradyrhizobium属根粒菌の共生アイランドは自由生活（培養過程）で確率的に挿入配列(IS)介在型欠失が生成しており、Rj2ダイズ選抜ではその一部が選択されていることが判明した。さらに、根粒菌コレクションから共生アイランド内のIS間が重複している獲得型株が見出された。以上の結果は、根粒菌の共生アイランドが挿入配列(IS)を介して欠失と重複を起こす動的な存在であることを実験室内で証明したものとして、高く評価できる。
(ii) Bradyrhizobium属の窒素固定エンドファイトと根粒菌の共有進化
ダイズ根粒から分離したBradyrhizobium属根粒菌を、レニーの半流動培地に接種し、アセチレン還元活性を測定したところ、自由生活で窒素固定能を発現する非共生型Bradyrhizobium属細菌と同じレベルでアセチレン還元活性を示す株は得られなかった。したがって、本アプローチからは共生アイランドとゲノムコアの両方にnif遺伝子群を持つハイブリッド型のBradyrhizobium属細菌は見出されなかった。ソルガム根由来のBradyrhizobium属細菌は「根粒菌型」、「自由生活窒素固定型」、「非窒素固定型」３つの窒素固定様式に分類された。それらの詳細な系統解析とゲノム解析により、ある系統において「根粒菌型」と「非窒素固定型」の両方のタイプが共存し、Bradyrhizobium属細菌において、共生アイランドの水平伝達が起りやすい系統の存在が示唆された。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Strains of Bradyrhizobium cosmicum sp. nov., isolated from contrasting habitats in Japan and Canada possess photosynthesis gene clusters with the hallmark of genomic islands (2020)
  • Author(s): Wasai-Hara Sawa、Minamisawa Kiwamu、Cloutier Sylvie、Bromfield Eden S. P.
  • Journal Title: International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology Volume: 70 Issue: 9 Pages: 5063-5074
  • DOI: 10.1099/ijsem.0.004380
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Levels of Periplasmic Nitrate Reductase during Denitrification are Lower in <i>Bradyrhizobium japonicum</i> than in <i>Bradyrhizobium diazoefficiens</i> (2020)
  • Author(s): Siqueira Arthur Fernandes、Sugawara Masayuki、Arashida Haruka、Minamisawa Kiwamu、S?nchez Cristina
  • Journal Title: Microbes and Environments Volume: 35 Issue: 3 Pages: n/a
  • DOI: 10.1264/jsme2.ME19129
  • NAID: 130007855292
  • ISSN: 1342-6311, 1347-4405
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Diversity of <i>Bradyrhizobium</i> in Non-Leguminous Sorghum Plants: <i>B. ottawaense</i> Isolates Unique in Genes for N₂O Reductase and Lack of the Type VI Secretion System (2020)
  • Author(s): Wasai-Hara Sawa、Hara Shintaro、Morikawa Takashi、Sugawara Masayuki、Takami Hideto、Yoneda Junich、Tokunaga Tsuyoshi、Minamisawa Kiwamu
  • Journal Title: Microbes and Environments Volume: 35 Issue: 1 Pages: n/a
  • DOI: 10.1264/jsme2.ME19102
  • NAID: 130007784458
  • ISSN: 1342-6311, 1347-4405
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Molecular Analyses of the Distribution and Function of Diazotrophic Rhizobia and Methanotrophs in the Tissues and Rhizosphere of Non-Leguminous Plants (2019)
  • Author(s): Yoneyama、Terakado-Tonooka、Bao、Minamisawa
  • Journal Title: Plants Volume: 8 Issue: 10 Pages: 408-408
  • DOI: 10.3390/plants8100408
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Symbiotic incompatibility between soybean and Bradyrhizobium arises from one amino acid determinant in soybean Rj2 protein (2019)
  • Author(s): Sugawara Masayuki、Umehara Yosuke、Kaga Akito、Hayashi Masaki、Ishimoto Masao、Sato Shusei、Mitsui Hisayuki、Minamisawa Kiwamu
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 14 Issue: 9 Pages: e0222469-e0222469
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0222469
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Identification of Nitrogen-Fixing Bradyrhizobium Associated With Roots of Field-Grown Sorghum by Metagenome and Proteome Analyses (2019)
  • Author(s): Hara Shintaro、Morikawa Takashi、Wasai Sawa、Kasahara Yasuhiro、Koshiba Taichi、Yamazaki Kiyoshi、Fujiwara Toru、Tokunaga Tsuyoshi、Minamisawa Kiwamu
  • Journal Title: Frontiers in Microbiology Volume: 10 Pages: 407-407
  • DOI: 10.3389/fmicb.2019.00407
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Variation in bradyrhizobial NopP effector determines symbiotic incompatibility with Rj2-soybeans via effector-triggered immunity (2018)
  • Author(s): Sugawara Masayuki、Takahashi Satoko、Umehara Yosuke、Iwano Hiroya、Tsurumaru Hirohito、Odake Haruka、Suzuki Yuta、Kondo Hitoshi、Konno Yuki、Yamakawa Takeo、Sato Shusei、Mitsui Hisayuki、Minamisawa Kiwamu
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 9 Issue: 1 Pages: 3139-3139
  • DOI: 10.1038/s41467-018-05663-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Plant-Associated Microbes: From Rhizobia To Plant Microbiomes (2018)
  • Author(s): Wasai Sawa、Minamisawa Kiwamu
  • Journal Title: Microbes and Environments Volume: 33 Issue: 1 Pages: 1-3
  • DOI: 10.1264/jsme2.ME3301rh
  • NAID: 130006581775
  • ISSN: 1342-6311, 1347-4405
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Mitigation of greenhouse gas emissions from agricultural lands by optimizing nitrogen and carbon cycles (2021)
  • Author(s): Kiwamu Minamisawa
  • Organizer: The First International Symposium on “Cool Earth via Microbes in Agriculture”. (March 1, 2021, Digital) (Invited Speaker and Organizer)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 根粒菌とマメ科植物の攻防とゲノム進化 (2021)
  • Author(s): 南澤 究
  • Organizer: 第36回資源植物科学シンポジウム及び第12回植物ストレス科学研究シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 窒素循環を担う植物共生微生物に関する研究 (2020)
  • Author(s): 南澤 究
  • Organizer: 日本土壌肥料学会2020年度岡山大会
  • Invited
• [Presentation] ダイズ根粒およびソルガム根のBradyrhizobium属細菌のrpoB群集構造解析 (2020)
  • Author(s): 原 新太郎，和才(原) 沙和，徳永 毅，南澤 究
  • Organizer: 日本土壌肥料学会2020年度岡山大会
• [Presentation] 窒素循環を担う植物共生微生物に関する研究 (2020)
  • Author(s): 南澤 究
  • Organizer: 2020年植物微生物研究会オンラインシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 窒素循環を担う植物共生微生物に関する研究 (2020)
  • Author(s): 南澤 究
  • Organizer: 2020年度日本土壌肥料学会東北支部大会(宮城大会)
  • Invited
• [Presentation] Experimental genome reduction of bradyrhizobia by plant. (2019)
  • Author(s): Haruka Odake, Haruka Arashida, Masayuki Sugawara, Hisayuki Mitsui, Kiwamu Minamisawa
  • Organizer: 5th Asian Conference on Plant-Microbe Symbiosis and Nitrogen Fixation.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Symbiotic incompatibility via effector-triggered immunity between soybean Rj2-genotype and bradyrhizobial NopP: Rj2 allele distribution in soybean resources. (2019)
  • Author(s): Masayuki Sugawara, Yosuke Umehara, Satoko Takahashi, Akito Kaga, Masaki Hayashi, Masao Ishimoto, Shusei Sato, Hisayuki Mitsui, Kiwamu Minamisawa
  • Organizer: 5th Asian Conference on Plant-Microbe Symbiosis and Nitrogen Fixation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Metagenome and proteome analyses revealed nitrogen fixation by Bradyrhizobium in roots of field-grown sorghum (2019)
  • Author(s): Shintaro Hara, Takashi Morikawa, Sawa Wasai, Yasuhiro Kasahara, Taichi Koshiba, Kiyoshi Yamazaki, Toru Fujiwara, Tsuyoshi Tokunaga and Kiwamu Minamisawa
  • Organizer: 5th Asian Conference on Plant-Microbe Symbiosis and Nitrogen Fixation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Bradyrhizobium from sorghum roots suggests T3SS/T4SS/T6SS diversity and symbiosis island exchange in non-diazotrophic and rhizobial members (2019)
  • Author(s): Sawa Hara, Shintaro Hara, Takashi Morikawa, Masayuki Sugawara, Junichi Yoneda Tsuyoshi Tokunaga, and Kiwamu Minamisawa
  • Organizer: 5th Asian Conference on Plant-Microbe Symbiosis and Nitrogen Fixation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental genome deletion via insertion sequences on bradyrhizobial symbiosis island by sacB system (2019)
  • Author(s): Haruka Arashida, Haruka Odake, Masayuki Sugawara, Hisayuki Mitsui and Kiwamu Minamisawa
  • Organizer: 5th Asian Conference on Plant-Microbe Symbiosis and Nitrogen Fixation
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 根粒菌共生アイランドの大規模欠失と土壌環境適応 (2019)
  • Author(s): 嵐田 遥，大竹 遥，菅原雅之，三井久幸，南澤 究
  • Organizer: 日本土壌微生物学会2019年度大会
• [Presentation] 根粒菌の生活史をゲノムで読む：植物が土壌微生物を育む？ (2019)
  • Author(s): 南澤 究
  • Organizer: 東京大学微生物科学イノベーション連携研究機構 微生物ウィーク2019
  • Invited
• [Presentation] イネ科植物ソルガムから分離したBradyrhizobium属細菌のゲノム解析：窒素固定能とタンパク質分泌系の多様性 (2019)
  • Author(s): 原沙和、原新太郎、菅原雅之、森川峻志、米田淳一、徳永毅、南澤究
  • Organizer: 第13回細菌学若手コロセウムinみやぎ蔵王
• [Presentation] 根粒菌共生アイランドの実験室進化：nif/T3SS遺伝子の大規模欠失 (2019)
  • Author(s): 南澤究、嵐田遥、大竹遥、菅原雅之
  • Organizer: 第13回細菌学若手コロセウムinみやぎ蔵王
• [Presentation] ソルガム由来 Bradyrhizobium属細菌株の窒素固定とタンパク質分泌系の多様性 (2019)
  • Author(s): 原 沙和、原 新太郎、菅原 雅之、森川 峻志、米田 淳一、徳永 毅、南澤 究
  • Organizer: 日本微生物生態学会第33回大会
• [Presentation] 根粒菌の窒素固定遺伝子を含むゲノム欠失と土壌環境適応 (2019)
  • Author(s): 嵐田 遥，大竹 遥，菅原 雅之，三井 久幸，南澤 究
  • Organizer: 日本微生物生態学会第33回大会
• [Presentation] ダイズ根粒菌共生アイランドの実験室進化：nif / rhc遺伝子群の大規模欠失とその意義 (2019)
  • Author(s): 南澤 究，嵐田 遥，大竹遥，菅原雅之，三井久幸
  • Organizer: 植物微生物研究会第29回研究交流会
• [Presentation] Identification of the host specificity determinant of bradyrhizobia based on genomic comparison (2019)
  • Author(s): Masayuki Sugawara, Yuki Konno, Yoshiyuki Ohtsubo, Masaya Kajiwara, Tomoyuki Nemoto, Hisayuki Mitsui, Kiwamu Minamisawa
  • Organizer: 21st International Congress on Nitrogen Fixation. (October 10-15, Wuhan, China)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hidden adaptations of symbiotic systems to the environments (2019)
  • Author(s): Kiwamu Minamisawa
  • Organizer: 21st International Congress on Nitrogen Fixation. (October 10-15, Wuhan, China) (Invited Speaker and Chair in Plenary Session)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Symbiotic interactions with bacteria and plants-their biogeochemical functions and evolutionary processes (2019)
  • Author(s): Kiwamu Minamisawa
  • Organizer: Symposium of Biodiversity Research Center, Academia Sinica, Taiwan, (Nov. 7, 2019, Taipei)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Symbiotic incompatibility via effector-triggered immunity between soybean Rj2-genotype and bradyrhizobial NopP (2019)
  • Author(s): Masayuki Sugawara, Yosuke Umehara, Satoko Takahashi, Akito Kaga, Masaki Hayashi, Masao Ishimoto, Shusei Sato, Hisayuki Mitsui and Kiwamu Minamisawa
  • Organizer: International Plant & Animal Genome XXVII（January 12-16, San Diego, USA）
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 根粒菌の共生不和合性システムと環境に優しい根粒菌集団の育種 (2019)
  • Author(s): 南澤 究
  • Organizer: 第13回日本ゲノム微生物学会年会
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Environmental dynamics of plant-associated bacteria: From rhizobia towards plant microbiomes (2018)
  • Author(s): Kiwamu Minamisawa
  • Organizer: RIKEN International Symposium “Frontiers in Integrated Symbiology”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Experimental evolution of bradyrhizobial symbiosis island by symbiotic incompatibility (2018)
  • Author(s): Kiwamu Minamisawa
  • Organizer: 7th International Legume Conference "Legume Systematics for Next Generation"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 土壌接種による Bradyrhizobium 属根粒菌共生アイランドの実験室進化 (2018)
  • Author(s): 大竹 遥，菅原 雅之，南澤 究
  • Organizer: 植物微生物研究会第28回研究交流会
• [Presentation] オーミック解析に基づくソルガム根窒素固定細菌の特定 (2018)
  • Author(s): 原 新太郎，森川 峻志，和才 沙和，笠原 康裕，小柴 太一，山崎 清志，藤原 徹，徳永 毅，南澤 究
  • Organizer: 日本土壌肥料学会2018年度大会
• [Presentation] 植物マイクロバイオーム研究 ～ホロビオームから鍵となる新規相互作用や微生物を見出せるか～Plant microbiome: Can we find key interactions between plant and microbe from holobiome? (2018)
  • Author(s): 南澤 究
  • Organizer: 微生物生態学会第32回大会
  • Invited
• [Presentation] 植物共生細菌の進化機構と育種戦略：根粒菌からマイクロバイオーム農業へ (2018)
  • Author(s): 南澤 究
  • Organizer: 日本育種学会第134回講演会
  • Invited
• [Presentation] ソルガム根からの Bradyrhizobium 属窒素固定細菌の分離と特性解析 (2018)
  • Author(s): 森川 峻志，原 新太郎，原 沙和，徳永 毅，南澤 究
  • Organizer: 植物微生物研究会第28回研究交流会
• [Presentation] ソルガム根における Bradyrhizobium 属細菌分離株の nif 遺伝子群と窒素固定能 (2018)
  • Author(s): 原 沙和，森川 峻志，原 新太郎，菅原 雅之，米田淳一，徳永 毅，南澤 究
  • Organizer: 植物微生物研究会第28回研究交流会
• [Presentation] ソルガム由来Bradyrhizobiumの窒素固定とゲノム情報に基づく機能解析 (2018)
  • Author(s): 原 沙和, 原 新太郎, 森川 峻志, 菅原 雅之, 米田 淳一, 徳永 毅, 南澤 究
  • Organizer: 第13回日本ゲノム微生物学会年会
• [Funded Workshop] 5th Asian Conference on Plant-Microbe Symbiosis and Nitrogen Fixation. (May 15-17, Sakura Hall, Tohoku University, Sendai, JAPAN) (2019)