マメ科植物と根粒菌による共生窒素固定能強化の分子基盤解明及び作物への応用

• 研究課題/領域番号: 11J03498
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 作物学・雑草学
• 研究機関: 鹿児島大学
• 研究代表者: 富永 晃好 鹿児島大学, 大学院・連合農学研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2011 – 2012
• 研究課題ステータス: 完了 (2012年度)
• 配分額: 1,400千円 (直接経費: 1,400千円); 2012年度: 600千円 (直接経費: 600千円); 2011年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
• キーワード: 窒素固定活性 / enf1変異体 / 次世代ゲノムシーケンサー / マイクロアレイ / 形質転換 / QTL解析 / 根粒 / 分子育種 / enfl変異体 / TILLING

研究概要

マメ科植物は根粒菌と共生し、根に根粒を形成する。根粒は大気中の窒素を、植物が利用可能な窒素に固定してマメ科植物に供給しており(窒素固定)、共生窒素固定能を高める事でマメ科植物の収量増加および化学窒素肥料使用量の削減につながると考えられている。そこで、共生窒素固定能強化の分子メカニズムの解明することで、マメ科植物の収量を増加させる事を目標に研究を遂行した。
初めに、マメ科モデル植物であるミヤコグサを実験材料とし、ABA低感受性変異体enf1の単離と特徴解析を行なった。enf1変異体は生育に特に悪影響がなく窒素固定活性が上昇し、収量に正の影響をもたらす新規の変異体である。マイクロアレイ解析の結果、enf1変異体は、Thioredoxine like遺伝子(Trxl)の発現量が野生型MG20と比べて大きく減少しており、毛状根形質転換系を作成したところ、発現量と根粒数に負の相関があることが明らかになった。以上の結果から、Trx1遺伝子が窒素固定能強化に有用な遺伝子である可能性が示唆された。そして、Trx1遺伝子発現量を基準としたラフマッピングおよび、次世代ゲノムシーケンサーによるネガティブシーケンスを行い、原因遺伝子の候補を選抜する事が出来た。
次に、RI系統を利用した、共生窒素固定活性に関与するQTL解析を行い、窒素固定活性を制御するゲノム領域の探索を試みた。その結果、ミヤコグサの第4染色体上のTM0832マーカー近傍に、共生窒素固定活性と収量に影響を与えるゲノム領域を見出し、同領域に窒素固定活性制御遺伝子Sen1が存在する事が明らかになった。Sen1遺伝子はRI系統の親品種であるMG20とB129間で1アミノ酸の欠失が見られたことから、上記QTLの原因である可能性が示唆された。また、ダイズSen1遺伝子も種子重のQTLと同位置に存在し、さらに品種間でアミノ酸置換が存在していたことから、Sen1遺伝子は分子育種の有用なマーカーになりうると考えられた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

enf1変異体の分子メカニズムを解析し、原因遺伝子候補の絞り込みや、enf1変異体で中心的な役割を果たすと考えられるTrx1遺伝子を見いだす事が出来た。また、窒素固定に関するQTL解析を行い、ミヤコグサとダイズにおいて、Senl遺伝子が種子重のQTLに関わっている可能性が示唆された。

今後の研究の推進方策

今後は、当初の計画通りenf1原因遺伝子の相補実験を継続して行うとともに、No38遺伝子の発現が大きく減少しているLORE1変異体を得ているので,この変異体について共生窒素固定能を中心とした性状解析をおこなう必要がある.
また、ミヤコグサとダイズにおいて、品種間におけるSen1遺伝子の塩基配列の違いが確認されたので、この違いが窒素固定活性および収量に与える影響を、形質転換体作成等の方法を用いて検証する必要が有る。
そして、Enf1,Trx1,Sen1遺伝子を利用した、窒素固定活性が強化されたダイズ品種の作成を行い、圃場における有用性を評価する必要がある。

研究成果

• [雑誌論文] Additional cause for reduced JA-Ile in the root of a Lotus japonicus phyB mutant (2012)
  • 著者名/発表者名: Shigeyama T, Tominaga A, Arima S, Sakai T, Inada , Jikumaru , Kamiya , Uchiumi , Abe M, Hashiguchi M, Akashi R, Hirsch AM, and Suzuki A, Shigeyama T, Tominaga A, Arima S, Sakai T, Inada , Jikumaru , Kamiya , Uchiumi , Abe M, Hashiguchi M, Akashi R, Hirsch AM, and Suzuki A
  • 雑誌名: Plant Signal Behav. 巻: 7 号: 7 ページ: 1-3
  • DOI: 10.4161/psb.20407
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantitative trait locus analysis of symbiotic nitrogen fixation activity in the model legume Lotus japonicus (2012)
  • 著者名/発表者名: Tominaga A, Gondo T, Akashi R, Zheng SH, Arima S, Suzuki A
  • 雑誌名: Journal of Plant Research 巻: 125 号: 3 ページ: 395-406
  • DOI: 10.1007/s10265-011-0459-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lotus japonicus nodulation is photomorphogenetically controlled by sensing the red/far red (R/FR) ratio through jasmonic acid (JA) signaling (2011)
  • 著者名/発表者名: Suzuki A, Suriyagoda L, Shigeyama T, Tominaga A, Sasaki M, Hiratsuka Y, Yoshinaga A, Arima S, Agarie S, Sakai T, Inada S, Jikumaru Y, Kamiya Y, Uchiumi T, Abe M, Hashiguchi M, Akashi R, Sato S, Kaneko T, Tabata S, Hirsch AM
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 巻: 108 号: 40 ページ: 16837-16842
  • DOI: 10.1073/pnas.1105892108
  • 査読あり
• [学会発表] ビタミンB6代謝というミヤコグサ・根粒菌共生の新規メカニズムに関する研究 (2012)
  • 著者名/発表者名: 富永晃好
  • 学会等名: 三学会合同大会
  • 発表場所: 佐賀大学(佐賀)
• [学会発表] ミヤコグサ-根粒菌共生におけるMesorhizobium loti ビタミンB6代謝経路の新たな役割 (2012)
  • 著者名/発表者名: 富永晃好
  • 学会等名: 第22回植物微生物研究会
  • 発表場所: 神戸大学(兵庫)
• [学会発表] Role of Vitamin B6 metabolic pathway in symbiotic root nodules of Lotus japonicus (2012)
  • 著者名/発表者名: Akiyoshi Tominaga
  • 学会等名: XV International Congress of Molecular Plant-Microbe Interactions
  • 発表場所: Kyoto, Japan
• [学会発表] Molecular mechanism of improved symbiotic phenotype in ABA low sensitive mutant enfl (enhanced nitrogen fixation 1) of Lotus japonicus (2012)
  • 著者名/発表者名: Akiyoshi Tominaga
  • 学会等名: The 2nd Asian Conference on Plant-Microbe Symbiosis and Nitrogen Fixation
  • 発表場所: Thai, Phuket
• [学会発表] ビタミンB_6分解というミヤコグサ・根粒菌共生の新たな意義 (2012)
  • 著者名/発表者名: 富永晃好
  • 学会等名: 第53回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 京都産業大学(京都)
• [学会発表] Quantitative trait locus analysis of symbiotic nitrogen fixation activity in the model legume Lotus japonicus (2011)
  • 著者名/発表者名: 富永晃好
  • 学会等名: Model Legume Congress 2011
  • 発表場所: Sainte Maxime, France
• [学会発表] ミヤコグサにおける共生窒素固定活性に関するQTL解析 (2011)
  • 著者名/発表者名: 富永晃好
  • 学会等名: 第21回植物微生物研究会
  • 発表場所: 岡山大学(岡山)
• [備考] 学生優秀発表賞
  • URL: http://www.saga-u.ac.jp/viewnews.php?ui=c2FnYXUyMDEx&fd=Y29tbW9u&newsid=39