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2021 Fiscal Year Annual Research Report

Utilization of functions by cluster root formation for sustainable crop production

Research Project

Project/Area Number 21H04717
Research InstitutionHiroshima University

Principal Investigator

和崎 淳  広島大学, 統合生命科学研究科(生), 教授 (00374728)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 坪田 博美  広島大学, 統合生命科学研究科(理), 准教授 (10332800)
丸山 隼人  北海道大学, 農学研究院, 助教 (10633951)
西田 翔  佐賀大学, 農学部, 准教授 (40647781)
渡部 敏裕  北海道大学, 農学研究院, 准教授 (60360939)
佐々木 孝行  岡山大学, 資源植物科学研究所, 准教授 (60362985)
俵谷 圭太郎  山形大学, 農学部, 教授 (70179919)
廣田 隆一  広島大学, 統合生命科学研究科(先), 准教授 (90452614)
Project Period (FY) 2021-04-05 – 2025-03-31
Keywordsクラスター根 / リン / 有機酸 / 分泌 / システムズ生物学 / 根圏 / ホスファターゼ / 低リン耐性
Outline of Annual Research Achievements

リン酸質肥料は作物生産に必須であるが、資源は涸渇に瀕しており、持続的な作物生産にはその問題の解決が必要である。低リン耐性を有する一部の植物は、クラスター根とよばれる小根が密集した根を形成する能力がある。このクラスター根は、根の表面積を増やし、難利用性リンの吸収を強化して適応するために形成されると考えられているが、その形成能と難利用性リンの供給能の詳細は未解明である。本研究ではシステムズ生物学アプローチ解析によるクラスター根の形態形成イベントの制御、爆発的な根分泌の誘導による難利用性リンからの供給能の解明に取り組む。
これまでに、クラスター根形成種であるシロバナルーピンおよびHakea laurinaのRNA-seqデータなどを元にして複数の有機酸トランスポーター候補の同定に成功した。これらの候補遺伝子の発現量を調査したところ、低リン条件のクラスター根で顕著な発現誘導が確認された。また、シロバナルーピンのRNA-seqデータからクラスター根の発達へのエチレンの寄与が示唆されたことから、エチレン前駆体であるACCおよびエチレン合成阻害剤であるCo2+イオンを添加してその影響を評価した。その結果、エチレンはクラスター根を構成する小根の伸長停止に寄与するとともに、リン欠乏への発現応答にも関与していることが示唆された。
新規なクラスター根形成種の探索を行うため、根のメタバーコーディングライブラリー作成のためのサンプル採集を進めた。クラスター根圏土壌細菌群集のメタバーコーディングを行うため、根圏土壌を採取し、アンプリコンシーケンスの準備を進めた。シロバナルーピンの根箱栽培を実施し、クラスター根におけるリン可溶化に関わる遺伝子発現および土壌中のリン形態を調査した結果、クラスター根の発達段階だけでなく根が形成された位置による違いが認められ、局所的に異なる機能を持つことが明らかとなった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究の成果として、複数の関連論文の投稿や学会発表につながっており、概ね順調に進展している。今後もweb会議等で意見交換を行いつつ、具体の研究を進める。

Strategy for Future Research Activity

ルーピンのEMS変異株の作成をさらに進める。栽培したルーピンのクラスター根を発達段階ごとに採取し、RNA-seq を用いたde novoアッセンブル解析を実施するとともに代謝物の定量を行う。この際に、ルシフェラーゼ発光による発生初期のクラスター根を判別するシステムを構築する。これらの取り組みによって、クラスター根の発達段階で特異的に発現が起こる遺伝子と代謝変動を抽出する。また、土耕栽培したルーピンのクラスター根を材料にRNA-seqの実施を試みる。これにより、土壌と水耕の条件の違いによって発現変動する遺伝子を抽出する。亜リン酸処理によるクラスター根誘導の可能性を調査するため、前年度に引き続きマメ科植物を材料として側根の形成と短い状態で停止する条件の検討を行う。
これまでにルーピンから複数単離したクエン酸とリンゴ酸のトランスポーター候補であるMATE, ALMT遺伝子について、アフリカツメガエル卵母細胞の遺伝子発現系を用いた電気生理試験による輸送活性の測定について継続して検討を行う。ヤマモガシ科植物のクラスター根RNA-seqデータから抽出された有機酸トランスポーター候補遺伝子のクローニングを進め、輸送活性の測定や組織局在性の解析などを進める。また、水耕栽培したルーピン、ヤマモガシ科植物のクラスター根から根分泌物を回収し、プロテオーム解析を実施する。
花崗岩性貧栄養土壌の宮島を調査地として、根の同定のためのバーコーディングライブラリを引き続き構築するとともに、イオノーム解析によって栄養吸収特性を調査する。これまでに新たにクラスター根を形成することが示されたヤマモモについて、土耕栽培により植物と土壌の養分動態を調査するとともに、根圏微生物群集構造への影響を調査する。また、水耕栽培と土耕栽培で形成された根をRNA-seqに供し、遺伝子発現プロファイルの調査を行う。

  • Research Products

    (33 results)

All 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (10 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 10 results,  Open Access: 2 results) Presentation (20 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 4 results) Book (1 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Western Australia(オーストラリア)

    • Country Name
      AUSTRALIA
    • Counterpart Institution
      University of Western Australia
  • [Int'l Joint Research] BOKU(オーストリア)

    • Country Name
      AUSTRIA
    • Counterpart Institution
      BOKU
  • [Journal Article] Ethylene works as a possible regulator for the rootlet elongation and transcription of genes for phosphorus acquisition in cluster roots of Lupinus albus L.2022

    • Author(s)
      Yamada Hirotsuna、Nishida Sho、Wasaki Jun
    • Journal Title

      Soil Science and Plant Nutrition

      Volume: - Pages: 1~10

    • DOI

      10.1080/00380768.2022.2050662

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Possible solubilization of various mineral elements in the rhizosphere of Lupinus albus L.2021

    • Author(s)
      Takao Atsuhide、Wasaki Jun、Fujimoto Hisae、Maruyama Hayato、Shinano Takuro、Watanabe Toshihiro
    • Journal Title

      Soil Science and Plant Nutrition

      Volume: - Pages: 1~8

    • DOI

      10.1080/00380768.2021.1980355

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Multiple analysis of root exudates and microbiome in rice (Oryza sativa) under low P conditions2021

    • Author(s)
      Matsushima Chisato、Shenton Matthew、Kitahara Ayaka、Wasaki Jun、Oikawa Akira、Cheng Weiguo、Ikeo Kazuho、Tawaraya Keitaro
    • Journal Title

      Archives of Microbiology

      Volume: 203 Pages: 5599~5611

    • DOI

      10.1007/s00203-021-02539-5

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] リンの輸送・吸収とホメオスタシス機構2021

    • Author(s)
      山田 大綱、和崎 淳
    • Journal Title

      日本土壌肥料学雑誌

      Volume: 92 Pages: 92~98

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 低リン耐性植物の根分泌物による難利用性リン可給化機構に関する研究2021

    • Author(s)
      和崎 淳
    • Journal Title

      日本土壌肥料学雑誌

      Volume: 92 Pages: 408~411

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Phosphite Reduces the Predation Impact of Poterioochromonas malhamensis on Cyanobacterial Culture2021

    • Author(s)
      Toda Narumi、Murakami Hiroki、Kanbara Akihiro、Kuroda Akio、Hirota Ryuichi
    • Journal Title

      Plants

      Volume: 10 Pages: 1361~1361

    • DOI

      10.3390/plants10071361

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Engineering Cofactor Specificity of a Thermostable Phosphite Dehydrogenase for a Highly Efficient and Robust NADPH Regeneration System2021

    • Author(s)
      Abdel-Hady Gamal Nasser、Ikeda Takeshi、Ishida Takenori、Funabashi Hisakage、Kuroda Akio、Hirota Ryuichi
    • Journal Title

      Frontiers in Bioengineering and Biotechnology

      Volume: 9 Pages: 647176

    • DOI

      10.3389/fbioe.2021.647176

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] The complete plastid genome sequence of the enigmatic moss, Takakia lepidozioides (Takakiopsida, Bryophyta): evolutionary perspectives on the largest collection of genes in mosses and the intensive RNA editing2021

    • Author(s)
      Sadamitsu Atsushi、Inoue Yuya、Sakakibara Keiko、Tsubota Hiromi、Yamaguchi Tomio、Deguchi Hironori、Nishiyama Tomoaki、Shimamura Masaki
    • Journal Title

      Plant Molecular Biology

      Volume: 107 Pages: 431~449

    • DOI

      10.1007/s11103-021-01214-z

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] The complete chloroplast genome of Petasites japonicus (Siebold & Zucc.) Maxim. (Asteraceae)2021

    • Author(s)
      Hashimoto Tamaki、Tsubota Hiromi、Shimamura Masaki、Inoue Yuya
    • Journal Title

      Mitochondrial DNA Part B

      Volume: 6 Pages: 3503~3505

    • DOI

      10.1080/23802359.2021.2005476

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] The complete chloroplast and mitochondrial genomes of Scopelophila cataractae (Mitt.) Broth. (Pottiaceae, Bryophyta)2021

    • Author(s)
      Inoue Yuya、Nakahara-Tsubota Miho、Tsubota Hiromi
    • Journal Title

      Mitochondrial DNA Part B

      Volume: 7 Pages: 125~127

    • DOI

      10.1080/23802359.2021.2013742

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Engineering Cofactor Specificity of a Thermostable Phosphite Dehydrogenase for a Highly Efficient and Robust NADPH Regeneration System2022

    • Author(s)
      Gamal Nasser Abdel-Hady, Takeshi Ikeda, Takenori Ishida, Hisakage Funabashi, Akio Kuroda, Ryuichi Hirota
    • Organizer
      日本農芸化学会2022年度大会
  • [Presentation] ALMT リンゴ酸輸送体による気孔閉口メカニズムの解析2022

    • Author(s)
      佐々木孝行・有吉美智代・山本洋子・森泉
    • Organizer
      第63回日本植物生理学会年会
  • [Presentation] ジャスモン酸メチル誘導性気孔閉口へのPYL5 およびPYL8 ABA 受容体の関与2022

    • Author(s)
      銀叶・佐々木孝行・中村宜督・宗正晋太郎・村田芳行・森泉
    • Organizer
      第63回日本植物生理学会年会
  • [Presentation] The cause that cluster root forms short rootlets in white lupin (Lupinus albus L.).2021

    • Author(s)
      Yamada, H., Nishida, S., Wasaki, J.
    • Organizer
      11th Symposium of the International Society of Root Research
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Bryoxiphium japonicum (Bryoxiphiaceae, Bryophyta) rediscovered on Miyajima Island, Hiroshima Prefecture, SW Japan after 45 years and its phylogenetic position.2021

    • Author(s)
      Hiromatsu, T., Inoue, Y., Tsubota, H.
    • Organizer
      The 9th East Asian Plant Diversity and Conservation Virtual Symposium 2021
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 低リン耐性植物の根分泌物による難利用性リン可給化機構に関する研究2021

    • Author(s)
      和崎 淳
    • Organizer
      日本土壌肥料学会2021年度北海道大会
    • Invited
  • [Presentation] クラスター根を形成する植物の養分吸収2021

    • Author(s)
      和崎 淳
    • Organizer
      植物の栄養研究会 第6回研究交流会
    • Invited
  • [Presentation] 植物におけるmRNA スプライシング調節を介した低カリウム環境への応答2021

    • Author(s)
      西田翔, 榎本拓央, 田中伸裕, 藤原徹
    • Organizer
      第12回トランスポーター研究会九州部会
    • Invited
  • [Presentation] Systematic studies and species diversity of the moss family Pottiaceae in Japan.2021

    • Author(s)
      Inoue, Y., Tsubota, H.
    • Organizer
      The 9th East Asian Plant Diversity and Conservation Virtual Symposium 2021
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] シロバナルーピンのクラスター根形成におけるエチレンの役2021

    • Author(s)
      山田 大綱、西田 翔、和崎 淳
    • Organizer
      日本土壌肥料学会2021年度北海道大会
  • [Presentation] クラスター根形成種ヤマモモの低リン耐性2021

    • Author(s)
      愛原 健司、坪田 博美、和崎 淳
    • Organizer
      日本土壌肥料学会2021年度北海道大会
  • [Presentation] 異なる土壌における白花ルーピンの根分泌物分布特性の可視化2021

    • Author(s)
      尹 永根、鈴井 伸郎、三好 悠太、海野 佑介、丸山 隼人、和崎 淳、菅 あやね、圓尾 明、渡部 敏裕、橋本 洋平、内田 翔子、信濃 卓郎、河地 有木
    • Organizer
      日本土壌肥料学会2021年度北海道大会
  • [Presentation] シロバナルーピン根域における土壌中リン形態に与える影響の局所的評価2021

    • Author(s)
      菅 あやね、丸山 隼人、和崎 淳、渡部 敏裕、信濃 卓郎
    • Organizer
      日本土壌肥料学会2021年度北海道大会
  • [Presentation] 植物の重金属環境適応における重金属トランスポーター遺伝子の量的・質的変化2021

    • Author(s)
      榎本拓央, 吉田純子, 水野隆文, 渡部敏裕, 西田翔
    • Organizer
      第12回トランスポーター研究会九州部会
  • [Presentation] シロバナルーピンのクラスター根における小根伸長停止の要因2021

    • Author(s)
      山田 大綱、西田 翔、和崎 淳
    • Organizer
      植物の栄養研究会 第6回研究交流会
  • [Presentation] クラスター根形成種ヤマモモの低リン耐性2021

    • Author(s)
      愛原 健司、坪田 博美、和崎 淳
    • Organizer
      植物の栄養研究会 第6回研究交流会
  • [Presentation] 異なるリン条件下でのシロバナルーピンの有機酸分泌の日周変動2021

    • Author(s)
      熊 子琳、山田 大綱、和崎 淳
    • Organizer
      植物の栄養研究会 第6回研究交流会
  • [Presentation] シロバナルーピン根域における土壌中リン動態に与える影響の局所的評価2021

    • Author(s)
      菅 あやね、丸山 隼人、和崎 淳、立石 能子、渡部 敏裕、信濃 卓郎
    • Organizer
      植物の栄養研究会 第6回研究交流会
  • [Presentation] 広島県宮島におけるエビゴケの再発見2021

    • Author(s)
      弘松瑶希・井上侑哉・坪田博美
    • Organizer
      日本蘚苔類学会第50回宮崎大会
  • [Presentation] トマトとシロイヌナズナのALMT輸送体による気孔閉口制御機構の解析2021

    • Author(s)
      佐々木孝行・有吉美智代・山本洋子・森泉
    • Organizer
      日本土壌肥料学会2021年度北海道大会
  • [Book] Root Systems in Sustainable Agricultural Intensification2021

    • Author(s)
      Wasaki, J., Dissanayaka, D.M.S.B.
    • Total Pages
      464
    • Publisher
      Wiley-Blackwell

URL: 

Published: 2022-12-28  

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