2021 Fiscal Year Research-status Report

Synthesis and characterization of alkali-resistant iron supplying agents for plants inspired from microbial artificial siderophores

Research Project

Project/Area Number	20K05541
Research Institution	Kochi University
Principal Investigator	松本健司高知大学, 教育研究部総合科学系複合領域科学部門, 講師 (30398713)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	上野大勢高知大学, 教育研究部総合科学系生命環境医学部門, 准教授 (90581299)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	シデロフォア / アルカリ土壌 / 鉄輸送 / 植物栄養代謝 / 還元
Outline of Annual Research Achievements	世界の陸地の3割にも及ぶ石灰質アルカリ土壌は、植物における鉄吸収および光合成を阻害するため作物の育成に不適合であり、急進する食糧需要を満たすためにはこうした土壌の有効利用が求められている。本研究ではアルカリ条件下でも安定なFe(III)錯体を形成する微生物型シデロフォアの特性・構造に着目し、アルカリ土壌でも利用可能な植物用鉄供給剤としての微生物型人工シデロフォアの合成とその機能評価を目的とする。令和3年度においては、鉄欠乏状態のキュウリの若苗を用いて、令和2年度に合成した末端カルボキシル基を有するポリエーテル架橋型ビス(ヒドロキサム)酸型人工シデロフォアのFe(III)錯体による鉄欠乏回復効果を水耕栽培により調べたところ、pH8においてベンチマークとした一般的な植物用鉄供給剤のひとつであるEDDHA-Fe(III)と同等か少し高い効果が見られた。この結果を踏まえ、令和3年度では、本人工シデロフォアのリンカー炭素鎖長を延伸した人工シデロフォアおよび、チアゾール骨格を有するdesferrithiocin類縁体を合成した。前者のFe(III)錯体は令和2年度に合成した人工シデロフォアFe(III)錯体と同様に弱塩基性でも安定なFe(III)錯体を形成し、かつFe(II)に還元されやすいことがわかった。しかしながら、従来のFe(III)錯体と比較して、水溶性が低いという問題点がみられた。一方、後者のチアゾール骨格を有するdesferrithiocin類縁体のFe(III)錯体は、先に合成した還元されやすいチアゾリン骨格を有するdesferrithiocin類縁体のFe(III)錯体と比較して、さらに還元されやすいことが判明した。しかしながら、配位子合成の再現性が低く、収率も芳しくないため、合成方法の改良が必要である。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 前年度に続き、令和3年度においても新型コロナの影響により、大学への入構禁止や授業等の特別な対応のため、十分な研究時間が取れなかったものの、当初予定していた2種類の微生物型人工シデロフォアおよびそのFe(III)錯体の合成に成功した。UV-visスペクトル測定や酸化還元電位測定の結果から、従来の人工シデロフォア-Fe(III)錯体と比較して、塩基性条件下における錯体安定性や被還元性が高い傾向が見られたことから、目標とする「アルカリ土壌でも利用可能な植物用鉄供給剤」としての性質を有していることが示唆された。また、令和2年度に合成した人工シデロフォア-Fe(III)錯体については、pH8における水耕栽培での植物における鉄欠乏回復効果実験の結果から、ベンチマークとした一般的な植物用鉄供給剤のひとつであるEDDHA-Fe(III)と同等か少し高い効果が見られた。しかしながら、令和3年度に合成した人工シデロフォアは、そのFe(III)錯体の水溶性が低かったり、人工シデロフォアの収率が低いなどの問題点があり、実際に植物に対する効果を調べるまでには至らなかった。以上の結果から、本研究は当初予定と比べてやや遅れている。
Strategy for Future Research Activity	令和2年度に合成した末端カルボキシル基を有するポリエーテル架橋型ビス(ヒドロキサム)酸型人工シデロフォアやdesferrithiocin類縁体のFe(III)錯体は、従前の人工シデロフォアと比較して合成が容易であるにもかかわらず、Fe(III)錯体の安定性、被還元性、植物に対する鉄欠乏回復効果は従前と同等以上であった。このことを踏まえ、令和3年度では、リンカー炭素鎖長を延伸した末端カルボキシル基を有するポリエーテル架橋型ビス(ヒドロキサム)酸型人工シデロフォアおよび、チアゾール骨格を有するdesferrithiocin類縁体を合成した。しかしながら、前者はそのFe(III)錯体の水溶性が低く、後者は人工シデロフォアの収率そのものが低いという問題が生じた。定性的な分析結果から、それらのFe(III)錯体の安定性や被還元性は、従前の人工シデロフォアと同等かそれ以上の性質があることが判明したが、植物に対する鉄欠乏回復効果を調べるまでには至らなかった。令和4年度においては、人工シデロフォアの原料や合成方法の改善を試みる。具体的には、ポリエーテル架橋型ビス(ヒドロキサム)酸型人工シデロフォアにおいては、リンカーであるポリエーテル骨格をより高い水溶性が期待されるアミン骨格に置き換えたものを合成する。チアゾール骨格を有するdesferrithiocin類縁体においては、原料のチアゾリン骨格を有するdesferrithiocin類縁体の酸化反応の条件や、原料骨格に含まれるフェノール部位やカルボキシル部位の保護を行なった上での合成を試みる。
Causes of Carryover	令和3年度も新型コロナの影響により、大学への入構制限や授業等の特別な対応のため、当初予定した研究時間を取ることができなかったことが最大の理由である。さらに、学会等もオンラインでの開催となり、当初予定していた旅費の支出が不要になったことや、測定装置の利用料金の負担が少なかったことも理由として挙げられる。令和4年度においては、当初の計画に加え、昨年度に実施できなかった内容を実施するとともに、これまでの研究結果を論文として取りまとめ、英文校閲・投稿などを行う予定である。また、11月にはマレーシアで行われる国際会議での招待講演のため、現地への渡航を計画している。