Elucidation of the endophytic microflora that affects the effect of biofertilizer and the genetic factors on the plant side that control it

Research Project

Project/Area Number	20K21267
Research Category	Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 38:Agricultural chemistry and related fields
Research Institution	Tokyo University of Agriculture and Technology
Principal Investigator	Yamada Tetsuya 東京農工大学, (連合)農学研究科(研究院), 教授 (20422511)
Project Period (FY)	2020-07-30 – 2023-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000) Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000) Fiscal Year 2020: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Keywords	バイオ肥料 / バチルス属プミルス種 / 接種効果 / イネ / 内生微生物叢 / メタゲノム解析 / ストレス耐性 / ゲノムワイド関連解析
Outline of Research at the Start	本研究では、バイオ肥料の原体微生物であるバチルス属プミルス種（TUAT1株）の接種効果の現れ方が種子の吸水温度や品種の違いによって異なることの原因を、接種直前のイネ種子における内生微生物叢構造の違いという観点から明らかにする。具体的には、約100種類のイネ品種の種子を15℃または25℃で吸水させ、TUAT1株の接種効果の違いを検出し、接種直前の種子の内生微生物叢構造の違いとの間の関連性を確認する。また、接種効果と内生微生物叢構造に品種間差を生じさせているイネ側の原因遺伝子群をGWASにより検出し、各遺伝子の機能を逆遺伝学的手法で明らかにする。
Outline of Final Research Achievements	In this study, the types and abundance of endophytic bacteria colonized in seed embryos after imbibition of 11 rice cultivars were estimated and those differences between cultivars were detected by using metagenomic analysis (microbiota analysis of 16S rRNA region). In addition, among the 11 rice cultivars, a high positive correlation was observed between the growth-promoting effect of seedlings by inoculation of the biofertilizer microorganism (Bacillus pumilus TUAT1 strain) to the imbibed seeds and the abundance of specific endophytic bacteria colonized in the embryo. Furthermore, the chromosomal regions containing genes that may be involved in both the abundance of endophytic bacteria and the effect of inoculation of the Bacillus pumilus TUAT1 strain were detected by genome-wide association analysis on 70 rice cultivars.
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	本研究では、植物に定着する内生細菌の存在量とBacillus pumilus TUAT1株のような植物成長促進根圏細菌（PGPR）の接種効果との間に関連性があることを明らかにした。また、植物には内生細菌の存在量を制御し、PGPRの接種効果に影響を及ぼす遺伝子が存在することが示唆された。これらの知見は、PGPRを原料としたバイオ肥料の施用効果が作物の品種や栽培地域の違いによって異なることの原因を明らかにし、より安定的かつ高い効果が現れる品種や施用技術を開発するための研究に役立つと考えられる。また、そのような品種や技術の開発は、農業の脱炭素化による持続性向上に貢献することが期待される。