植物ミトコンドリアゲノム形質転換による窒素固定能獲得
| Project/Area Number |
22K19140
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 38:Agricultural chemistry and related fields
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
木村 光宏 九州大学, 農学研究院, 学術研究員 (00372342)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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| Keywords | ミトコンドリア / 窒素固定 / ニトロゲナーゼ / タバコ / シアノバクテリア |
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| Outline of Research at the Start |
化学窒素肥料は飛躍的な作物増収をもたらしてきたが、その化学合成は高温高圧下で行われ、大量のエネルギー消費や二酸化炭素の放出を伴う。化学窒素肥料からの脱却はSDGsの観点からも重要であるが、その解決策は未だ見出されていない。植物は空気中の窒素分子を直接利用することはできないが、原核生物の一部は空気中の窒素分子を原料として、有機窒素化合物を生成する窒素固定能を有する。本研究は、植物にこの窒素固定機構を導入することで、化学窒素肥料の削減に寄与する作物の作出を目標とする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
根粒菌など一部の原核生物が行う窒素固定反応はニトロゲナーゼにより触媒される。このニトロゲナーゼを作物に導入し、窒素固定を行わせることで窒素肥料を施肥することなく、高収量・高品質の作物生産を維持することが期待できるが、光合成で発生する酸素に対するニトロゲナーゼの脆弱性や、反応に必要な電子やATP量が不十分であることから、ニトロゲナーゼを導入した高等植物の作出は成功していない。真核生物オルガネラであるミトコンドリアは、1）電子伝達系を介して酸素が水に還元されること、2）ATP合成酵素によりATPが大量に合成されること、3）電子伝達系より活性酸素の原因となる電子が漏出することなど、高等植物にニトロゲナーゼを導入する場としての条件を満たしていると考えられる。
そこで、本研究では、タバコミトコンドリアゲノムに窒素固定能をもつシアノバクテリア、Leptolyngbya boryanaのnif遺伝子クラスターを含むDNA領域（Tsujimoto et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2014）を導入する。また、より低酸素環境を実現するため、nif遺伝子クラスターは根のミトコンドリア特異的に発現させる。まず、ミトコンドリア移行シグナルと窒素固定遺伝子群の発現を制御する遺伝子、cnfRをコードする遺伝子を融合し、根細胞特定的なプロモーターで制御した外来遺伝子を作成し、核ゲノムへ組み込む。この方法によりニトロゲナーゼの酸素による不可逆的な失活を避けて、窒素固定能を獲得した形質転換タバコを作出することができると考えている。現在、タバコ形質転換体の作出に向け、プラスミドの作成を行っている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
nif遺伝子クラスターを含むDNA領域は約30kbと大きいため、プラスミドへの導入が難航している。
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| Strategy for Future Research Activity |
nif遺伝子クラスターを含むDNA領域および、ミトコンドリア移行シグナルと窒素固定遺伝子群の発現を制御する遺伝子、cnfRをコードする遺伝子を融合し、根細胞特定的なプロモーターで制御した融合遺伝子をそれぞれプラスミドに導入する。それらのプラスミドをそれぞれ、タバコミトコンドリアゲノムおよび、核ゲノムに導入する。
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Report
(1 results)
Research Products
(1 results)
