土壌からのヒ素吸収を抑える未知の嫌気性代謝関連応答の解明

• Project/Area Number: 22K05375
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 38010:Plant nutrition and soil science-related
• Research Institution: National Agriculture and Food Research Organization
• Principal Investigator: 林 晋平 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 生物機能利用研究部門, 上級研究員 (40781323)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 石川 覚 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 農業環境研究部門, グループ長 (40354005)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2024: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: ヒ素 / イネ

Outline of Research at the Start

イネは土壌中のヒ素を吸収しやすいため、コメはヒトの主要なヒ素摂取源となっている。ヒ素の通り道の働きを抑えることがコメのヒ素濃度低減に有効だが、この通り道は他の重要な元素の吸収に必要であるため、働きを完全に失わせてはいけない。最近、イネが低酸素状態に置かれた際に働くアルコールデヒドロゲナーゼという酵素の機能が低下すると、ヒ素吸収が高まる一定期間だけ、この通り道の働きが抑制されることが明らかになった。本研究では、このメカニズムを解明することで、ヒ素の吸収を効果的に低下させる技術を開発するとともに、いまだ不明な点の多い植物の低酸素適応の理解向上を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、イネにおいて根の嫌気性代謝を担うアルコールデヒドロゲナーゼ（ADH）の活性低下が土壌からのヒ素吸収を抑制するという発見に基づき、コメのヒ素低減技術開発に向けてそのメカニズムの解明を目指している。
このヒ素吸収抑制効果が、嫌気性代謝のどのような変化が引き金となり、どのような応答（遺伝子発現の変化等）が起きることで発揮されるのかを明らかにするため、令和4年度は、様々なかたちで嫌気性代謝経路を変化させたイネの作出を試みた。
具体的には、代表的な嫌気性代謝の反応であるアルコール発酵や乳酸発酵を担う酵素等の単独または複数同時破壊株作出を試みた。破壊対象の酵素はゲノム上で複数の遺伝子にコードされており、リソースとして破壊株が配布されていないものもあった。また、複数同時破壊株の作出は、従来行われてきた各々の単独破壊株の交配による方法では多大な時間がかかり、特にゲノム上で近接し強く連鎖する遺伝子については成功の可能性が極めて低いという問題があった。しかし、本研究では標的ゲノム配列を高効率で改変できるゲノム編集ツールの活用によりこれらの問題を解消し、１年で計画当初の目的としていた単独破壊株および複数同時破壊株を全て作出することに成功した。
また、目的のメカニズム解明のために必要と考えられる嫌気性代謝酵素以外の因子群の解析も新たに計画に加え、遺伝子の破壊株と強発現株を作出した。
これらの植物について、系統の整備を進め、ヒ素関連形質評価や遺伝子発現解析等に向けた条件検討を行なった。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

計画していた嫌気性代謝酵素群の破壊株作出について想定よりも早く達成し、嫌気性代謝酵素以外の関連因子群の解析も新たに計画に加え、遺伝子の破壊株と強発現株を作出に成功した。これにより、研究目的の達成に向けてより多くの情報を得られるようになった。

Strategy for Future Research Activity

当初の計画通り、作出した破壊株等についてヒ素関連形質の評価や遺伝子発現解析等を実施する。得られたデータから、嫌気性代謝のどのような変化が引き金となり、どのように遺伝子発現が変動しヒ素吸収の抑制が起きるのかを把握する。変動する遺伝子群からこの一連の応答の指標となるものを見出し、ゲノム上の発現調節領域の解析等を駆使して発現レベルを調節する分子機構を調査する。また、破壊株を作出した遺伝子のうち知見が乏しいものについて、その機能や役割を調査し、嫌気的になりやすい水田におけるイネのヒ素吸収と低酸素適応の全体像理解を試みる。得られた知見を基に、より効果的に低ヒ素形質を付与できる変異等について仮説を立て検証を行う。