ペプチドシグナル伝達を介した根粒共生および窒素応答の制御機構

• Project/Area Number: 23K27188
• Project/Area Number (Other): 23H02495 (2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 44030:Plant molecular biology and physiology-related
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 壽崎 拓哉 筑波大学, 生命環境系, 准教授 (40575825)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥18,850,000 (Direct Cost: ¥14,500,000、Indirect Cost: ¥4,350,000); Fiscal Year 2025: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2024: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2023: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
• Keywords: 根粒共生 / 窒素応答 / ミヤコグサ / ペプチドシグナル

Outline of Research at the Start

これまでの植物の窒素応答研究は、硝酸を主とした外部窒素栄養に対する応答解析が中心である。その一方で、体内の窒素栄養状態の変化に対する植物の応答の仕組みはほとんど分かっていない。マメ科植物ミヤコグサは根粒共生時では外部窒素栄養の影響を完全に取り除いた状態でも生育することができる。本研究はこの特性を利用し、植物体内の窒素栄養状態に応じた情報伝達の仕組みを新規ペプチド因子の機能解明によって理解することを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

マメ科植物は、窒素固定細菌である根粒菌との共生を介し、生育に必須な栄養素である窒素を効率的に獲得する仕組み（根粒共生）を持っている。植物の根に形成される共生器官が根粒であり、根粒菌はその中にいて、空気中の窒素をアンモニアへと変換する窒素固定を行う。窒素固定反応を触媒する酵素が働くためには鉄が必要であるが、どこから、どのように鉄が根粒へと運ばれて窒素固定のために使われるのか、その仕組みはほとんど解明されていなかった。今年度は研究代表者の研究グループにおいて継続して進めていた研究プロジェクトとして、マメ科のモデル植物ミヤコグサを用い、根粒共生過程における体内の窒素状態に応じた遺伝子発現解析を行った。その結果、50個程度のアミノ酸によって構成されるIRON MAN (IMA)ペプチドの同定に成功した。IMAペプチドは根粒菌の感染によって全身的（地上部と根）に機能し、根粒に鉄を集める働きを持つことが分かった。さらに、根粒共生を行わない植物であるシロイヌナズナにおけるIMAペプチドの機能を解析した結果、ミヤコグサとシロイヌナズナのいずれにも、IMAペプチドが植物体内の窒素量の増加に応じて鉄を得ることで窒素恒常性を維持し、植物の成長を制御する仕組みが存在することを発見した。これらの成果をまとめ、論文発表を行った。これまで、土壌中の窒素栄養に応じた根粒共生の制御の仕組みを明らかにしてきたが、本研究により窒素栄養に応じた鉄獲得のメカニズムが明らかになったことで、植物の環境適応の仕組みに関する理解がさらに深まった。本研究成果は、植物の微生物共生や栄養利用の能力を最大限に引き出し、持続可能な社会に貢献する技術開発につながることが期待される。

Current Status of Research Progress

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

Reason

研究計画の中心に据えているペプチド因子の研究に関して最初の論文発表を行うほど研究が進展したため。

Strategy for Future Research Activity

IMAペプチドの上流と下流の分子機構について明らかにする。また、新たなペプチド因子を同定する。

Research Products

• [Journal Article] IMA peptides regulate root nodulation and nitrogen homeostasis by providing iron according to internal nitrogen status (2024)
  • Author(s): Ito Momoyo、Tajima Yuri、Ogawa-Ohnishi Mari、Nishida Hanna、Nosaki Shohei、Noda Momona、Sotta Naoyuki、Kawade Kensuke、Kamiya Takehiro、Fujiwara Toru、Matsubayashi Yoshikatsu、Suzaki Takuya
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 15 Issue: 1 Pages: 733-733
  • DOI: 10.1038/s41467-024-44865-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Developing for nutrient uptake: Induced organogenesis in parasitic plants and root nodule symbiosis (2023)
  • Author(s): Cui Songkui、Inaba Shoko、Suzaki Takuya、Yoshida Satoko
  • Journal Title: Current Opinion in Plant Biology Volume: 76 Pages: 102473-102473
  • DOI: 10.1016/j.pbi.2023.102473
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An improved method for the highly specific detection of transcription start sites (2023)
  • Author(s): Seki Masahide、Kuze Yuta、Zhang Xiang、Kurotani Ken-ichi、Notaguchi Michitaka、Nishio Haruki、Kudoh Hiroshi、Suzaki Takuya、Yoshida Satoko、Sugano Sumio、Matsushita Tomonao、Suzuki Yutaka
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 52 Issue: 2 Pages: e7-e7
  • DOI: 10.1093/nar/gkad1116
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Staying hungry: a roadmap to harnessing central regulators of symbiotic nitrogen fixation under fluctuating nitrogen availability (2023)
  • Author(s): Qiao Lijin、Lin Jieshun、Suzaki Takuya、Liang Pengbo
  • Journal Title: aBIOTECH Volume: 5 Issue: 1 Pages: 107-113
  • DOI: 10.1007/s42994-023-00123-7
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 細菌と植物のコミュニケーションー根粒共生を例にしてー (2023)
  • Author(s): 野田桃菜、落合美智、深谷夢夏、壽崎拓哉
  • Journal Title: 生物の科学 遺伝 Volume: 77 Pages: 436-443
• [Presentation] NIN転写因子のPB1ドメインの役割 (2024)
  • Author(s): 野田桃菜; 伊藤百代; 壽崎 拓哉
  • Organizer: 第65回日本植物生理学会年会
• [Presentation] ミヤコグサの硝酸応答におけるNRT3.1の機能 (2024)
  • Author(s): 落合美智; 野田桃菜; 伊藤百代; 壽崎 拓哉
  • Organizer: 第65回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 根粒共生および窒素恒常性を制御するペプチドシグナル (2024)
  • Author(s): 壽崎 拓哉
  • Organizer: 第65回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 転写因子ファミリー内での比較解析から根粒共生獲得の軌跡を探る (2024)
  • Author(s): 野﨑 翔平; 野田 桃菜; 小野田 浩宜; 三浦謙治; 壽崎 拓哉
  • Organizer: 日本農芸化学会2024年度大会
• [Presentation] 根粒形成に必要不可欠な鍵転写因子の生化学的研究 (2023)
  • Author(s): 野﨑 翔平; 野田 桃菜; 三浦 謙治; 壽崎 拓哉
  • Organizer: 日本農芸化学会関東支部2023年度大会
• [Presentation] A novel motif of NIN determines its different DNA-binding specificity from NLPs (2023)
  • Author(s): Nosaki Shohei; Noda Momona; Miura Kenji; Suzaki Takuya
  • Organizer: 15th European Nitrogen Fixation Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A nitrogen-induced peptide mediates nutrient-dependent regulation of root nodule symbiosis (2023)
  • Author(s): Suzaki Takuya
  • Organizer: 15th European Nitrogen Fixation Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] NIN 転写因子の特異的配列に基づく遺伝子発現制御機構 (2023)
  • Author(s): 野﨑 翔平; 野田 桃菜; 三浦 謙治; 壽崎 拓哉
  • Organizer: 植物微生物研究会 第32回研究交流会
• [Remarks] 植物が共生菌への鉄供給によって窒素を得る仕組みを解明
  • URL: https://www.tsukuba.ac.jp/journal/biology-environment/20240129190000.html