植物根への有害重金属元素の侵入をくい止める～植生回復を目指した研究基盤の確立

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H03952
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture
• Principal Investigator: 中村 進一 東京農業大学, 生命科学部, 教授 (00322339)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中井 雄治 弘前大学, 地域戦略研究所, 教授 (10321788) ; 鈴井 伸郎 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 放射線生物応用研究部, 主幹研究員(定常) (20391287) ; 頼 泰樹 秋田県立大学, 生物資源科学部, 准教授 (30503099) ; 野下 浩二 秋田県立大学, 生物資源科学部, 助教 (40423008) ; 大津 直子 東京農工大学, (連合)農学研究科(研究院), 教授 (40513437) ; 及川 彰 山形大学, 農学部, 教授 (50442934) ; 尹 永根 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 放射線生物応用研究部, 主任研究員(定常) (50609708) ; 俵谷 圭太郎 山形大学, 農学部, 教授 (70179919) ; 野副 朋子 明治学院大学, 教養教育センター, 准教授 (90590208)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: グルタチオン / カドミウム

Outline of Annual Research Achievements

本研究では高等植物のカドミウム動態を制御する「カギ」となる物質として生理活性ペプチドのひとつであるグルタチオンに着目している。これまでの研究で植物の根に部位特異的に与えたグルタチオンが植物体の地上部へのカドミウムの移行と蓄積を選択的に抑制することを明らかにしている。また、このグルタチオンは主に根の細胞の外側で機能していることをアラビドプシスの形質転換体を用いた実験から確認した。
このグルタチオンがアブラナのカドミウム動態に及ぼす影響をポジトロンイメージング技術を用いて可視化した。グルタチオン処理によって地上部基部におけるカドミウムの蓄積パターンが変化していることが明らかになった。ポジトロンイメージング実験で得られた画像データを解析した。その結果、基部上部におけるカドミウムの蓄積はグルタチオン処理によって抑制されていた。また、地上部基部の存在は根からのカドミウムの排出にも大きな影響を及ぼしていた。これらの実験結果は地上部基部が植物体内におけるカドミウム分配に重要な働きをしていることを示唆している。阻害剤を用いたカドミウム排出実験の結果はATPアーゼタイプの輸送体タンパク質がカドミウム排出に関与している可能性を示していた。
また、トランスクリプトーム解析の結果、グルタチオン処理によってアブラナの根において約400個の遺伝子の発現が有意に変化していることが明らかになった。発現量が有意に変化した遺伝子の中には、重金属輸送体タンパク質や根の細胞壁の構造を制御するタンパク質など根におけるカドミウム動態への関与が考えられるタンパク質をコードする遺伝子が含まれていた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

植物の根に部位特異的に与えたグルタチオンは複数のカドミウム動態の制御機構に関与することで、植物体の地上部へのカドミウムの移行と蓄積を抑制していることを学術論文の形で公表することができた。

Strategy for Future Research Activity

地上部基部における遺伝子発現の網羅的解析を行い、カドミウムの返送機構に関与している遺伝子を検索する。

Research Products

• [Journal Article] Shoot base responds to root-applied glutathione and functions as a critical region to inhibit cadmium translocation from the roots to shoots in oilseed rape (Brassica napus) (2021)
  • Author(s): Li, J.-S., Suzui, N., Nakai, Y., Yin, Y.-G., Ishii, S., Fujimaki, S., Kawachi, N., Rai, H., Matsumoto, T., Sato-Izawa, K., Ohkama-Ohtsu, N., and Nakamura S.
  • Journal Title: Plant Science Volume: 305 Pages: 110822
  • DOI: 10.1016/j.plantsci.2021.110822
  • Peer Reviewed