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Robustness and modeling of microbial symbiosis in plants: application of field transcriptomics

Research Project

Project/Area Number 20H02883
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 38010:Plant nutrition and soil science-related
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

Ezawa Tatsuhiro  北海道大学, 農学研究院, 准教授 (40273213)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 杉原 創  東京農工大学, (連合)農学研究科(研究院), 准教授 (30594238)
佐伯 雄一  宮崎大学, 農学部, 教授 (50295200)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2021: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
Fiscal Year 2020: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000)
Keywordsアーバスキュラー菌根菌 / 根粒窒素固定 / 共生 / ダイズ / コムギ / RNAシーケンス / 遺伝子共発現 / 野外トランスクリプトーム / 有機農業 / 養分獲得戦略 / 菌根共生 / 遺伝子発現ネットワーク / 作物 / 有機物 / 土壌環境 / 有機物連用 / 根粒菌 / モデリング
Outline of Research at the Start

有限資源の多投入型農業には限界が予想されており、土壌養分を供給する菌根菌や根粒菌の機能を最大限引き出す環境保全型の農業技術を確立する必要がある。本研究では、慣行→有機栽培の移行過程にある圃場からコムギ根と土壌を採取し、菌根共生を制御する植物遺伝子群の発現から菌根の機能レベルを評価し、土壌の化学性および圃場管理と菌根機能との関係を線形回帰モデルにより解析することで、菌根機能を最適化するための土壌管理法を提案する。また、土壌有機態リンの詳細な分画・分析を通じて有機栽培における菌根機能の向上メカニズムを明らかにする。

Outline of Final Research Achievements

We identified nutrient acquisition strategies and their environmental drivers in soybean and winter wheat. In wheat the effect of organic-matter application on nutrient acquisition was also examined. Gene-coexpression modules responsible for symbiotic functions, P-starvation response, root development, and N assimilation were defined based on RNA-Seq and subsequent network analysis using the plants grown in domestic and foreign countries, and plant and soil factors that drive these modules were identified. In soybean a plant gene that responds linearly to symbiotic N-fixation was identified, and in wheat the application of organic material was found to improve the efficiency of N and P uptake in the presence of mycorrhizas.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

環境と遺伝子発現との関わりは、実験室レベルの知見を基に野外で起こっている現象を説明するには限界がある。本研究では広範な環境レンジから植物体試料を採取することで多くの環境要因の中から説明度の高い環境変数を抽出することに成功した。これらの知見は、野外における植物の環境応答を分子レベルで解釈する道を開いた点で植物科学全体に大きなブレークスルーを与えると予想される。また、植物の環境応答を遺伝子発現から推定するというアイデアは、微生物共生に限らず気候・土壌・病原生物などに対する植物応答の検出にも応用可能であり、従来の分析・調査に取って代わる技術として農業現場に画期的な革命をもたらす可能性も秘めている。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (37 results)

All 2022 2021 2020 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (8 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 6 results) Presentation (26 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 2 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results) (of which Overseas: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] Agroscope(スイス)

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    • Author(s)
      Sugimura Yusaku、Kawahara Ai、Maruyama Hayato、Ezawa Tatsuhiro
    • Journal Title

      Frontiers in Plant Science

      Volume: 13 Pages: 903539-903539

    • DOI

      10.3389/fpls.2022.903539

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    • Author(s)
      Tanaka Sachiko、Hashimoto Kayo、Kobayashi Yuuki、Yano Koji、Maeda Taro、Kameoka Hiromu、Ezawa Tatsuhiro、Saito Katsuharu、Akiyama Kohki、Kawaguchi Masayoshi
    • Journal Title

      Communications Biology

      Volume: 5 Issue: 1 Pages: 43-43

    • DOI

      10.1038/s42003-021-02967-5

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    • Author(s)
      Nguyen Cuc Thi、Ezawa Tatsuhiro、Saito Katsuharu
    • Journal Title

      Soil Science and Plant Nutrition

      Volume: 68 Issue: 2 Pages: 256-267

    • DOI

      10.1080/00380768.2022.2029220

    • NAID

      210000159582

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    • Author(s)
      Salomon Matthias J.、Watts-Williams Stephanie J.、McLaughlin Michael J.、Bucking Heike、Singh Brajesh K.、Hutter Imke、Schneider Carolin、Martin Francis M.、Vosatka Miroslav、Guo Liangdong、Ezawa Tatsuhiro、Saito Masanori、Declerck Stephane、Zhu Yong-Guan、Bowles Timothy、Abbott Lynette K.、Smith F. Andrew ほか2名
    • Journal Title

      iScience

      Volume: 25 Issue: 7 Pages: 104636-104636

    • DOI

      10.1016/j.isci.2022.104636

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    • Author(s)
      Perez-Castineira Jose R.、Docampo Roberto、Ezawa Tatsuhiro、Serrano Aurelio
    • Journal Title

      Frontiers in Plant Science

      Volume: 12 Pages: 653416-653416

    • DOI

      10.3389/fpls.2021.653416

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    • Author(s)
      Maeda Taro、Kobayashi Yuuki、Nakagawa Tomomi、Ezawa Tatsuhiro、Yamaguchi Katsushi、Bino Takahiro、Nishimoto Yuki、Shigenobu Shuji、Kawaguchi Masayoshi
    • Journal Title

      BioRxiv

      Volume: -

    • DOI

      10.1101/2020.05.14.095489

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      Sugimura Yusaku、Kawahara Ai、Maruyama Hayato、Ezawa Tatsuhiro
    • Journal Title

      BioRxiv

      Volume: -

    • DOI

      10.1101/2020.09.02.269407

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  • [Journal Article] Application of Virus-Induced Gene Silencing to Arbuscular Mycorrhizal Fungi2020

    • Author(s)
      Ezawa Tatsuhiro、Maruyama Hayato、Kikuchi Yusuke、Yokoyama Kaede、Masuta Chikara
    • Journal Title

      Methods in Molecular Biology

      Volume: 2146 Pages: 249-254

    • DOI

      10.1007/978-1-0716-0603-2_19

    • ISBN
      9781071606025, 9781071606032
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    • Author(s)
      Bagas Adhi Kumoro・Yaya Suzuki・Tatsuhiro Ezawa・Weiguo Cheng・Keitaro Tawaraya
    • Organizer
      11th International Conference on Mycorrhiza
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    • Organizer
      11th International Conference on Mycorrhiza
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  • [Presentation] Selection of the Arbuscular Mycorrhizal Fungi that Regenerate Rapidly via Soil: Propagules and Intraradical Mycelia in a Sand-Dune Ecosystem2022

    • Author(s)
      Anjar Cahyaningtyas・Tatsuhiro Ezawa
    • Organizer
      11th International Conference on Mycorrhiza
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  • [Presentation] アーバスキュラー菌根菌が保持するミトコンドリアウイルスの古代系統:菌根共生を起点とした菌類・植物への拡散2022

    • Author(s)
      江沢辰広・Alessandro Silvestri・丸山隼人・俵谷圭太郎・鈴木芽衣・Yu Duan・Massimo Turina・Luisa Lanfranco
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      日本土壌肥料学会
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    • Author(s)
      江沢辰広
    • Organizer
      日本土壌肥料学会
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  • [Presentation] 黒ボク土畑で植物-AM菌共生系が獲得するリン形態・量に堆肥連用が与える影響の解明2022

    • Author(s)
      高橋雄太郎・杉原創・田中治夫・坂上桃花・江沢辰広
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      日本土壌肥料学会
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      坂上桃花・高橋雄太郎・杉原創・Marcel van der Heijden・江沢辰広
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      日本土壌肥料学会
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      大森菜花・Tingting Li・中西夏輝・俵谷圭太郎・江沢辰広
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      日本土壌肥料学会
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      江沢辰広・Alessandro Silvestri・丸山隼人・俵谷圭太郎・鈴木芽衣・Yu Duan・Massimo Turina・Luisa Lanfranco
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      菌根研究会
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      Anjar Cahyaningtyas and Tatsuhiro Ezawa
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      日本土壌肥料学会
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    • Organizer
      日本土壌肥料学会
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  • [Presentation] 葉の遺伝子発現による地下微生物機能の診断2021

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      江沢辰広・杉村悠作・丸山隼人
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      日本土壌肥料学会
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      菌根研究会
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      菌根研究会
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      杉村悠作・河原愛・丸山隼人・江沢辰広
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      杉原創・宮島奈々子・田中治夫・江沢辰広
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  • [Patent(Industrial Property Rights)] アーバスキュラー菌根菌の培養用培地及び培養方法2021

    • Inventor(s)
      川口正代司・田中幸子・矢野幸司・秋山康紀・齋藤勝晴・江澤辰広
    • Industrial Property Rights Holder
      川口正代司・田中幸子・矢野幸司・秋山康紀・齋藤勝晴・江澤辰広
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2021
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    • Overseas

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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