Elucidation of holobiont co-evolution mechanism by analyzing aquatic plant-surface symbiotic bacteria interactions
| Project/Area Number |
21K18239
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 45:Biology at organismal to population levels and anthropology, and related fields
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
森川 正章 北海道大学, 地球環境科学研究院, 教授 (20230104)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小山 時隆 京都大学, 理学研究科, 准教授 (30324396)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000)
Fiscal Year 2023: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000)
Fiscal Year 2022: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000)
Fiscal Year 2021: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000)
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| Keywords | 共生微生物 / 表層細菌 / ウキクサ / ホロビオント / 相利共生 / 植物成長促進因子 / 共進化 / 植物ー微生物共生 / 植物成長促進細菌 |
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| Outline of Research at the Start |
土壌環境とは大きく異なり、分子が拡散しやすい水圏環境における、宿主植物と表層共生細菌の特有の相利共生と共進化の世界を探る。具体的には、ウキクサ亜科植物を対象として、共生細菌が生産する水生植物成長促進因子とその生合成遺伝子群の構造ー機能相関について、微生物学的研究と植物生理学的研究の両面から総合的に取り組む。さらに、これまでに構築した、無菌ウキクサをプラットフォームとした複数種共生細菌の協調あるいは拮抗と、宿主植物の成長を定量的に測定するシステムを活用して、未開拓領域である水生植物微生物共生総体（ホロビオント）の生存戦略の一端を分子レベルで理解し、生物共進化の新たな側面に光を当てる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
土壌環境とは大きく異なり、分子が拡散しやすい水環境には、特有の相利共生の世界が存在する。本研究課題では、ウキクサ科植物を対象として、微生物学的研究と植物生理学的研究の両面から総合的に取り組み、未開拓領域である「陸圏水生植物-共生細菌ホロビオントの共進化」を探究し、持続的な地球生物圏形成の理解に一石を投じることを最終目標とする。本年度の実績概要は以下の通りである。
微生物学的研究：ウキクサ成長促進細菌Bacillus altitudinis MRB10の共生機構解析を進めるなかで、自然突然変異株（以下、BX）を偶然に取得した。BXはMRB10由来成長促進因子を生産せず、逆にコウキクサの成長を大きく阻害した。そこでコウキクサ共培養液中からBXが生産する成長阻害因子を探索した結果、1-Butanolで抽出可能な低分子化合物群であることが判った。一方、植物とは共生しない窒素固定土壌細菌Azotobacter vinelandiiがコウキクサ表層で増殖し、窒素を含まない水環境でもコウキクサを生育させうることを発見した。さらに、この相利共生関係はコウキクサに対して限定的であることも判った。
植物生理学的研究：成長促進細菌Pseudomonas fulva Ps6がコウキクサ(Lemna minor)の遺伝子発現に与える影響評価を行った。その結果、鉄の利用効率を著しく上昇させていることを見出した。関連して応答する転写制御ネットワークも明らかとなった。培地成分が主要栄養分（窒素、リン等）に比べて比較的鉄に富んでいることから、培地からの鉄取り込み効率の上昇ではないことが示唆された。さらに、ウキクサ成長／遺伝子発現様式の安定的な再現性を得るには、明暗周期をもつ外部環境が重要であることを見出した。
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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
当初計画の一部が遅れている一方で、予想外の新たな展開があった。
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| Strategy for Future Research Activity |
微生物学的研究については、MRB10由来ウキクサ成長促進因子：カルボキシペプチダーゼの活性中心変異酵素を作成して、その構造-機能相関の理解を目指す。当該遺伝子大量発現系を構築し、植物側の影響について解析するための準備を進める。BX由来ウキクサ成長阻害因子の化学構造を決定すると共に、異なるウキクサ種への影響を調べる。さらに、Ps6由来ウキクサ成長促進因子の特定を目指す。
植物生理学的研究については、P23, MRB10, Ps6それぞれの細菌共生時のコウキクサの遺伝子発現応答について比較し、それぞれの特異的応答と普遍的応答を整理し、それぞれの株の成長促進効果に伴う植物の生理学的応答（色、根、外部環境依存性）と応答遺伝子群を対応づける。さらに成長促進因子（物質）に対する遺伝子発現応答を調べることで、成長促進メカニズムの本質的な要因にアプローチする。
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Report
(2 results)
Research Products
(16 results)
