アーバスキュラー菌根共生系から根粒共生系への進化基盤の解明

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Genetic bases for the evolution of complex adaptive traits
• Project/Area Number: 22128006
• Research Institution: National Institute for Basic Biology
• Principal Investigator: 川口 正代司 基礎生物学研究所, 共生システム研究部門, 教授 (30260508)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 齋藤 勝晴 信州大学, 農学部, 准教授 (40444244)
• Project Period (FY): 2010-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: アーバスキュラー菌根菌 / 共生 / 進化 / 根粒共生系 / 複合適応形質 / 数理モデル解析

Outline of Annual Research Achievements

・一分子シーケンサーを用いて、アーバスキュラー菌根菌(AM菌)より分岐年代が古いアツギケカビ目の２種、Sphaerocreas pubescensとEndogone pisiformisのドラフトゲノム配列を決定した。両菌種ともチロシンキナーゼ様遺伝子が多様化しており、AM菌と共通した特徴を示した。
・ミヤコグサのRNA-seq 解析から、菌根形成過程で発現変動するミヤコグサの8つの転写因子について、その下流遺伝子候補をDEX誘導系で特定した。この転写因子のうち菌根誘導性AP2/ERF転写因子は菌根の樹枝状体で発現するとともに根粒原基でも発現していることを見いだした。
・外生菌根性の獲得という共生の初期段階に関わる遺伝子の探索を目的として、ホンシメジの全ゲノム解読を行った。昨年度に実施したゲノムシークエンス結果を見直し、真核生物で保存されている遺伝子の95%を含む信頼性の高いゲノムデータを得た。
・マメ科植物との共生において、根粒菌は植物からBenefitを受け取る代わりにCostを払っている。窒素固定能の進化ダイナミクスの数理モデル解析により、この共生進化はCostとBenefitのバランスに依存しており、両者が拮抗した条件ではCostをほとんど負担せず一方的にBenefitを得る「ぼったくり菌」が出現することが分かった。
・根粒共生系の進化基盤の解明：　根粒共生の制御ネットワークを知るために、根粒形成の全身的フィードバック制御を駆動する因子を調べた。その結果、根粒形成の正の制御因子であるNINがCLEペプチド遺伝子を直接活性化することを明らかにした。また窒素条件で根粒を制御する遺伝子も同定した。これまでの知見を総合すると、マメ科植物はAM菌との共生系を基盤として、SAM制御ネットワークと窒素応答関連の遺伝子をリクルートすることにより、安定した根粒共生系を進化させたと考えられた。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Leguminous plants: inventors of root nodules to accommodate symbiotic bacteria. (2015)
  • Author(s): Suzaki, T., Yoro, E., and Kawaguchi, M.
  • Journal Title: Int. Rev. Cell Mol. Biol. Volume: 316 Pages: 111-158
  • DOI: 10.1016/bs.ircmb.2015.01.004.
• [Journal Article] Gibberellins interfere with symbiosis signaling and gene expression and alter colonization by arbuscular mycorrhizal fungi in Lotus japonicus. (2015)
  • Author(s): Takeda, N., Handa, Y., Tsuzuki, S., Kojima, M., Sakakibara, H., and Kawaguchi, M.
  • Journal Title: Plant Physiol. Volume: 167 Pages: 545-557
  • DOI: 10.1104/pp.114.247700.
• [Journal Article] Oriented cell division shapes carnivorous pitcher leaves of Sarracenia purpurea. (2015)
  • Author(s): Fukushima, K., Fujita, H., Yamaguchi, T., Kawaguchi, M., Tsukaya, H., and Hasebe, M.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 6 Pages: 6450
  • DOI: 10.1038/ncomms7450.
• [Journal Article] Root nodulation: a developmental program involving cell fate conversion triggered by symbiotic bacterial infection. (2014)
  • Author(s): Suzaki, T., and Kawaguchi, M.
  • Journal Title: Curr. Opin. Plant Biol. Volume: 21 Pages: 16-22
  • DOI: 10.1016/j.pbi.2014.06.002.
• [Journal Article] Shoot-derived cytokinins systemically regulate root nodulation. (2014)
  • Author(s): Sasaki, T., Suzaki, T., Soyano, T., Kojima, M., Sakakibara, H. and Kawaguchi, M.
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 5 Pages: 4983
  • DOI: 10.1038/ncomms5983.
• [Journal Article] NODULE INCEPTION creates a long-distance negative feedback loop involved in homeostatic regulation of nodule organ production. (2014)
  • Author(s): Soyano, T., Hirakawa, H., Sato, S., *Hayashi, M., and Kawaguchi, M.
  • Journal Title: Proc Natl Acad Sci USA Volume: 111 Pages: 14607-14612
  • DOI: 10.1073/pnas.1412716111.
• [Journal Article] Endoreduplication- mediated initiation of symbiotic organ development in Lotus japonicus. (2014)
  • Author(s): Suzaki, T., Ito, M., Yoro, E., Sato, S., Hirakawa, H. Takeda, N., and Kawaguchi, M.
  • Journal Title: Development Volume: 141 Pages: 2441-2445
  • DOI: 10.1242/dev.107946.
• [Journal Article] A positive regulator of nodule organogenesis, NODULE INCEPTION, acts as a negative regulator of rhizobial infection in Lotus japonicus. (2014)
  • Author(s): Yoro, E., Suzaki, T., Toyokura, K., Miyazawa, H., Fukaki, H., and Kawaguchi, M.
  • Journal Title: Plant Physiol. Volume: 165 Pages: 747-758
• [Journal Article] Polymorphisms of E1 and GIGANTEA in wild populations of Lotus japonicus. (2014)
  • Author(s): Wakabayashi, T., Oh, H., Kawaguchi, M., Harada, K., Sato, S., Ikeda, H., and Setoguchi, H.
  • Journal Title: J. Plant Res. Volume: 127 Pages: 651-660
  • DOI: 10.1007/s10265-014-0649-8.
• [Journal Article] Isolation and phenotypic characterization of Lotus japonicus mutants specifically defective in arbuscular mycorrhizal formation. (2014)
  • Author(s): Kojima, T., Saito, K., Oba, H., Yoshida, Y., Terasawa, J., Umehara, Y., Suganuma, N., Kawaguchi, M., and Ohtomo, R.
  • Journal Title: Plant Cell Physiol. Volume: 55 Pages: 928-941
  • DOI: 10.1093/pcp/pcu024.
• [Journal Article] Polyphosphate accumulation is driven by transcriptome alterations that lead to near-synchronous and near-equivalent uptake of inorganic cations in an arbuscular mycorrhizal fungus. (2014)
  • Author(s): Kikuchi, Y., Hijikata, N., Yokoyama, K., Ohtomo, R., Handa, Y., Kawaguchi, M., Saito, K., and Ezawa, T.
  • Journal Title: New Phytol. Volume: 204 Pages: 638-649
  • DOI: 10.1111/nph.12937.
• [Journal Article] Transcriptomic profiles of nodule senescence in Lotus japonicus and Mesorhizobium loti symbiosis. (2014)
  • Author(s): Chungopast, S., Hirakawa, H., Sato, S., Handa, Y., Saito, K., Kawaguchi, M., Tajima, S., and Nomura, M.
  • Journal Title: Plant Biotechnol. Volume: 31 Pages: 345-349
• [Presentation] 外生菌根菌ホンシメジの新規全ゲノム解読 (2014)
  • Author(s): 小林裕樹、川口正代司
  • Organizer: 日本植物学会第78回大会
  • Place of Presentation: 明治大学 生田キャンパス（神奈川県川崎市）
  • Year and Date: 2014-09-12 – 2014-09-14
• [Presentation] アーバスキュラー菌根共生系から根粒共生系への進化基盤の解明 (2014)
  • Author(s): 小林裕樹、川口正代司
  • Organizer: 新学術領域第1回領域会議
  • Place of Presentation: 釧路市観光国際交流センター（北海道釧路市）
  • Year and Date: 2014-08-18 – 2014-08-19
• [Presentation] Model for Stomatol Pattern Formation in Plants (2014)
  • Author(s): 藤田浩徳、川口正代司
  • Organizer: JSMB/SMB 2014 OSAKA
  • Place of Presentation: 大阪国際会議場（大阪府大阪市）
  • Year and Date: 2014-07-29 – 2014-08-01
• [Presentation] Sphaerocreas pubescensとEndogone pisiformisのゲノム解析は陸上植物と真菌との共生の進化について理解を深める (2014)
  • Author(s): 半田佳宏、川口正代司
  • Organizer: 日本菌学会第58回大会
  • Place of Presentation: サイエンスヒルズこまつ（石川県小松市）
  • Year and Date: 2014-06-13 – 2014-06-15
• [Presentation] 植物茎頂分裂組織における反応拡散パターン (2014)
  • Author(s): 藤田浩徳、川口正代司
  • Organizer: 第14回日本発生生物学会
  • Place of Presentation: ウィンクあいち（愛知県名古屋市）
  • Year and Date: 2014-05-27 – 2014-05-29
• [Book] Genes for autoregulaton of nodulation. In The Lotus japonicus Genome edited by Tabata, S. and Stougaard, J. (2014)
  • Author(s): Kawaguchi, M.
  • Total Pages: 6（73-78）
  • Publisher: Springer
• [Book] Wild accessions and mutant resources. In The Lotus japonicus Genome edited by Tabata, S. and Stougaard, J. (2014)
  • Author(s): Kawaguchi, M., and Sandal, N.
  • Total Pages: 10（211-220）
  • Publisher: Springer