2018 Fiscal Year Research-status Report
Do legumes use nitrogen luxuriously?: nitrogen resorption from senescing leaf
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17K07554
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
及川 真平 茨城大学, 理工学研究科(理学野), 准教授 (90400308)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 生物的窒素固定 / マメ科 / 根粒 / 栽培化 / 系統関係 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マメ科植物25種と非マメ科植物25種の窒素回収能力を比較するため、5月から11月にかけて野外調査を行った。この調査は2017年度から実施しており、あと1年継続する予定だが、現時点で以下のことが明らかとなった。
(1) 調査対象種の葉緑体DNAの塩基配列から系統樹を推定した。推定された系統樹と、実測した窒素回収能力を用いて、窒素回収能力に対し系統関係が与える影響を解析した。統計的に有意なシグナルは検出されなかったため、以降の解析は種を独立として扱うこととした。
(2)窒素回収能力は非マメ科植物に比べてマメ科植物で低い、すなわちマメ科植物は枯葉により多くの窒素を残していた。また、窒素固定する種を多く含むマメ亜科と、ほとんどの種が窒素固定をしないジャケツイバラ亜科の間で比較すると、後者のほうが高い窒素回収能力を示す傾向が見られた。しかしhierarchical partitioning解析を実施したところ、全体のvarianceに対するこグループ（マメ科, 非マメ科）と亜科の貢献度は、種の貢献度に比べて圧倒的に小さかった。これは、窒素固定の有無が窒素回収能力の強力な説明要因ではない可能性を示唆している。
(3) 上記の野外調査で得られた結果から、マメ科と非マメ科の窒素回収能力を代表する(それぞれの平均値に近い値を示した)種を3種ずつ選出し、老化葉のタンパク質組成を調べた。2017年度の研究で確立した手法で定量を行なった。非マメ科が代謝系タンパク質と構造性タンパク質の両方を分解したのに対し、マメ科は構造性タンパク質をほとんど分解しなかった。この違いが、上の(2)で得られた結果を裏付ける生化学的メカニズムである可能性が示唆された。
(4)2019年度の栽培実験に用いる材料（マメ科カワラケツメイ）に着生する根粒菌系統を探った。10種の系統を摂取した後、植物体の成長を測定したが、顕著な違いが観察されなかった。
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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
本研究の目的は、「マメ科植物は高い窒素回収能力を進化させてこなかった」というほぼ定説となっている仮説を、初めて多種を対象とした野外調査によって検証すること、そしてマメ科植物 と非マメ科植物の窒素回収能力の差を裏付ける生化学的メカニズムを解明することである。現時点で研究開始から2年が経過した。これまでに、マメ科植物と非マメ科植物それぞれ25種、合計50種について野外調査を行い、窒素回収能力を測定した。2018年度は2年目の調査となったが、2017年度の結果を検討することでより目的に合致する種の選定を行った。系統関係を考慮した解析を行ううえで、専門家の助言を得ることで2017年度よりもより網羅的な解析を行った（系統樹の推定方法と、用いるtaxaの数を増やした）。以上のように、野外調査は順調に進行した。枯葉の窒素濃度の種間差が、分解性の異なるタンパク質の組成比の違いで説明できるかどうかを検証するため、タンパク質組成の分析を進めたが、異なるタンパク質の分離（具体的には、水溶性タンパク質と膜タンパク質の分離）が必ずしも成功していないと思われる試料がある。その原因究明と解決が2018年度の課題のひとつであったが、必ずしもこれは達成できなかった。そこで2019年度は、先行研究を参照し、用いる薬品類を一部変更して試行してみることとする。それでも分離がうまくいかない場合は、これらのタンパク質は代謝タンパク質として扱い解析を進めることとする。
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| Strategy for Future Research Activity |
マメ科植物と非マメ科植物の窒素回収能力の定量化を継続し、3年間のデータを用いて年、気象による窒素回収能力の違いがあるのかどうかを検証する。これらの結果を論文にまとめ、国際的な科学雑誌に投稿する。
窒素回収能力の種間差をうみだすメカニズムを明らかにする。2018年度と同じ植物を用いて再現性を確認すると共に、遺伝的背景がより似ている2種(マメ科の窒素固定種カワラケツメイと非窒素固定種エビスグサ)を用いることで、窒素固定と窒素回収の関係をより明確にする。
窒素固定の可塑的変化の生態学的意義を調べる。研究開始前に行った予備実験では、材料とする種カワラケツメイが栽培下で十分な量の根粒を形成していないようであった。そこで、複数の窒素固定細菌系統を個別にカワラケツメイに接種し、形成根粒量と植物個体のバイオマスを測定し、実験に適した栽培条件を探った。しかしながら、それらの間に顕著な差がみられなかった。そこで2019年度は、新たに入手した細菌系統で試験すると共に、カワラケツメイの自生地（茨城県水戸市内）の土壌を採取し、それを用いて試験を行う。栽培条件が確立し次第、カワラケツメイ(窒素固定種)とエビスグサ(非窒素固定種)を施肥リン量を変えて栽培し、「土壌中リンが少ない条件 では窒素固定が低下し、窒素回収能力が可塑的に高くなる」という仮説を検証する。
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| Causes of Carryover |
所属機関に既設の、窒素分析システムに不具合が生じたため、葉試料の窒素濃度分析にわずかだが遅れが生じ、これに要する経費に未使用が生じた。不具合は解決したため、2019年度中に当該未使用額を使用し、その遅れた分の分析を実施する。
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Research Products
(4 results)
