| Project/Area Number |
23K21251
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| Project/Area Number (Other) |
21H02325 (2021-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 41050:Environmental agriculture-related
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| Research Institution | Fukushima University |
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Principal Investigator |
二瓶 直登 福島大学, 食農学類, 教授 (50504065)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高橋 秀和 福島大学, 食農学類, 教授 (00325937)
市橋 泰範 国立研究開発法人理化学研究所, バイオリソース研究センター, チームリーダー (20723810)
濱本 昌一郎 北海道大学, 農学研究院, 教授 (30581946)
高木 恭子 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 作物研究部門, 上級研究員 (40707634)
小林 奈通子 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 准教授 (60708345)
岡野 夕香里 福島大学, 食農学類, 准教授 (90734872)
中田 隆 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 作物研究部門, 研究員 (90882548)
辰野 宇大 福島大学, 環境放射能研究所, 研究員 (40898003)
小澤 仁嗣 福島大学, 食農学類附属発酵醸造研究所, 特任助教 (60915685)
平賀 勧 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 作物研究部門, 上級研究員 (30332472)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2021: ¥8,190,000 (Direct Cost: ¥6,300,000、Indirect Cost: ¥1,890,000)
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| Keywords | ダイズ / 放射性セシウム / 東京電力福島第一原子力発電所事故 / 東京電力福島第一原子力発現所事故 / マルチオミクス解析 / マルチオミクス |
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| Outline of Research at the Start |
土壌にはK以外にも作物生育に必要な多様なイオン、および根滲出物や代謝物が多数存在している。ダイズは根粒菌や菌根菌と共生し、高度に複雑な根圏微生物叢を構築している。つまり、ダイズのCs吸収は土壌の化学性、微生物性、物理性が複雑に絡み合う農業生態システムの中で成立しており、本来Kだけの単独指標ではなく総合的に評価されるべきである。そのため本課題では、これまで土壌の交換性K濃度のみであったダイズのCs吸収に関する栽培環境要因を、土壌や微生物のオミクスデータ（イオノーム、マイクロバイオーム等）を統合したマルチオミクス解析を駆使して解明する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では福島第一原発事故後の放射性セシウム汚染圃場でも安全に栽培できるダイズ品種の育成を目指し、Cs 吸収に関与する遺伝子を解明した。まず、0.1mMと 3mMの水耕条件でダイズを栽培し、Low K では根・地上部とも133Cs 濃度が高まった。RNA-seq 解析では、低Ｋ下で600～800遺伝子が上昇し、その中に高親和性 K⁺トランスポーター GmHAK5とGmHAK5_likeが含まれていた。系統樹解析により、GmHAK5 は Cs 輸送能が報告される AtHAK5・OsHAK1・SlHAK5 と同クレードに属することを確認した。前培養Ｋ濃度を変化させた 137Cs/42K 吸収試験では、0.1 mM Ｋで育てた苗が他条件の２～３倍の Cs を取り込み、Cs/K 比も高値を示した。同時にGmHAK5 発現が顕著に誘導され、Ｋ欠乏応答型輸送体であることが示唆された。機能解析として、GmHAK5/GmHAK5_like 共通配列を標的にした RNAi ノックダウン系統を作出した結果、Low K 条件での根と種子のCs 濃度はいずれも野生型の約40%に低下した。さらに、GmHAK5 に早期終止コドンを導入した EMS 変異系統 では、Low K 栽培時の根・地上部 Cs 吸収が WTに比べ大幅に抑制され、オートラジオグラフィでも著しい取り込み減少が視覚化された。高Ｋ条件下では変異体と WT に差がなく、GmHAK5 依存的な低Ｋ特異的 Cs 取り込み経路が裏づけられた。以上より、GmHAK5 はダイズの低Ｋ環境下で主要な Cs 取り込み経路を担うことが実証された。本遺伝子を標的とするゲノム編集や自然欠失アレルの導入により、追加のＫ施肥に依存しない低 Cs 吸収品種の育成が有望であり、汚染地域における持続的なダイズ生産への道筋が示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
カリウム高親和性トランスポーター GmHAK5 がダイズの放射性セシウム（Cs）吸収に関与するかを解析した。GmHAK5を遺伝子多型からA・B・Cの３ハプロタイプに分類し、低 K 条件下で Cs 投与試験を実施した結果、ハプロタイプ間の差は明確ではなかった。Cs/K 比解析から、GmHAK5 以外にも低 K 適応型の K 輸送機構が存在し、品種ごとに Cs 透過性が異なる可能性が示された。ダイズのセシウム吸収に関与する遺伝子として対象としているGmHAK5について、SoyBaseに公開されている RNA-seq データを再解析したところ、発現はほぼ地下部（主根・側根）に特化し、地上部組織では検出限界近くにとどまることを確認した。この結果は、セシウムが主に根から取り込まれるという生理学的知見と一致し、GmHAK5 がダイズの Cs 吸収経路の候補であることを裏づける。さらに、ダイズ・トマト・シロイヌナズナ・イネの高親和性 K⁺輸送体（HAK/KUP/KT ファミリー）36 配列を用いて系統解析（Maximum-Likelihood 法、1 000 ブートストラップ）を行ったところ、GmHAK5 は AtHAK5（シロイヌナズナ）、OsHAK1（イネ）、SlHAK5（トマト）と同じクレード Ib/IIa に位置づけられた。これら 3 遺伝子はいずれも Cs⁺取り込み能を持つことが報告されており、GmHAK5 も同様に Cs 輸送活性を備える可能性が高いと考えられる。GmHAK5 の根特異的発現、既知 Cs 輸送体との系統学的近縁性 の二点から、GmHAK5 はダイズにおけるセシウム高親和性取り込みの主力遺伝子候補であると結論づけられた。
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| Strategy for Future Research Activity |
GmHAK5 がダイズのセシウム（Cs）取り込みを律速する主要遺伝子候補であることは機能解析で裏づけられたが、現実の圃場では複数の輸送体が協調して Cs/K バランスを制御していると考えられる。したがって今後の遺伝子探索では、GmHAK5 をアンカーとして①ゲノムワイド関連解析（GWAS）とハプロタイプネットワークを組み合わせ、低 Cs 移行性系統に共通する協調遺伝子座を特定する、②GmHAK5 ノックアウト・過剰発現ラインをベースに CRISPR による二重・三重変異体を作出し、HAK/KUP/KT ファミリーや ABC 排出輸送体、トナー型チャネルの寄与を分離評価する、③Xenopus 卵母細胞・酵母を用いた in vitro 輸送アッセイで各候補の Cs/K 選択性と pH 依存性を定量し数理モデルへ組み込む、④KO/OE 系統のトランスクリプトーム・イオノーム・プロテオームを統合解析して GmHAK5 を中心にしたシグナルネットワークと代謝変動を描出する、⑤多地点圃場試験で遺伝子型×環境相互作用をベイズ階層モデルで抽出し、実装可能な遺伝子組合せと施肥指針を提示する、⑥育種現場では MAS と speed breeding を併用し、GmHAK5 有益アレルと協調遺伝子を同時ピラミディングしたエリート系統を作成する。加えて、GmKUP7 や GmABCG33/36 など協調的に機能する輸送体の自然変異を精査し、多遺伝子編集によるオプティマイズドシグネチャーを追求することも不可欠である。さらにセシウム吸収抑制がカリウム栄養、収量、加工適性に及ぼす影響を食品科学・栄養学の視点から検証し、社会実装の障壁を低減させる必要がある。これら多角的アプローチにより、GmHAK5 を核とするシステム育種を完成させ、放射性セシウム汚染地域の食の安全と農業復興に貢献する研究にする。
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