２つの遠距離シグナル物質を介した根粒形成の全身制御機構の解明

• 研究課題/領域番号: 17H03702
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 植物分子・生理科学
• 研究機関: 基礎生物学研究所
• 研究代表者: 川口 正代司 基礎生物学研究所, 共生システム研究部門, 教授 (30260508)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円); 2019年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2018年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円); 2017年度: 7,280千円 (直接経費: 5,600千円、間接経費: 1,680千円)
• キーワード: ミヤコグサ / 共生 / 窒素固定 / 根粒 / 遠距離制御 / マイクロRNA / オートレギュレーション / 遠距離シグナル伝達 / 根粒形成 / HAR1レセプター / 葉 / miR2111 / 全身制御 / 遠距離シグナル物質 / サイトカイニン / HAR1受容体 / 全身制御機構 / 側根形成 / CLEペプチド / 硝酸応答 / シュート由来シグナル / 遠距離シグナリング

研究成果の概要

マメ科植物は根の組織にリゾビウムを取り込むことにより、大気中の窒素を栄養源として利用できます。一方、共生窒素固定は多量の光合成産物を必要とするため、過剰な根粒の形成は宿主の生育を著しく阻害します。共生バランスを保つため、宿主植物は「葉」を介して根粒の数を最適化する仕組みを持っていることが知られています。
我々はマメ科のモデル植物ミヤコグサを用いて、葉で強く発現するマイクロRNA遺伝子 MIR2111-5を特定し、葉で合成されたmiR2111が根で機能する根粒形成抑制因子TOO MUCH LOVE (TML)を阻害することで、根粒の数を全身的にコントロールしていることを明らかにしました。

研究成果の学術的意義や社会的意義

空気中に多量に存在するN2を、反応性の高いアンモニアに変換するために高温高圧で反応させるハーバー・ボッシュ法が知られていますが、マメ科植物に共生する根粒細菌は常温常圧で効率よく窒素分子をアンモニアに変換することができます。その際、多くの光合成産物を必要とするので、<葉による炭素同化>と<根での窒素固定>とのバランスが共生と植物の成長には極めて重要になります。私たちは葉で作られるマイクロRNAが根に作用することで根粒形成を遠隔制御していることを実証しました。
マメ科植物の窒素固定には多くのCO2吸収が必要であることから、地球温暖化を防止する次世代の植物生産に繋がることが期待されます。

研究成果

• [雑誌論文] Endogenous gibberellins affect root nodule symbiosis via transcriptional regulation of NODULE INCEPTION in Lotus japonicus. (2021)
  • 著者名/発表者名: Akamatsu A, Nagae M, Nishimura Y, Romero Montero D, Ninomiya S, Kojima M, Takebayashi Y, Sakakibara H, Kawaguchi M, Takeda N.
  • 雑誌名: Plant J. 巻: 105 号: 2 ページ: 1507-1520
  • DOI: 10.1007/s10265-021-01258-8
  • 査読あり
• [雑誌論文] MIR2111-5 locus and shoot-accumulated mature miR2111 systemically enhance nodulation depending on HAR1 in Lotus japonicus. (2020)
  • 著者名/発表者名: Okuma N, Soyano T, Suzaki T, Kawaguchi, M.
  • 雑誌名: Nat Commun. 巻: 11 号: 1 ページ: 5192-5192
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19037-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spatial regulation of resource allocation in response to nutritional availability. (2020)
  • 著者名/発表者名: Fujita H, Hayashi-Tsugane M, Kawaguchi M
  • 雑誌名: J. Theor. Biol. 巻: 486 ページ: 110078-110078
  • DOI: 10.1016/j.jtbi.2019.110078
  • 査読あり
• [雑誌論文] CLE-HAR1 systemic signaling and NIN-mediated local signaling suppress the increased rhizobial infection in the daphne mutant of Lotus japonicus (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoro E., Suzaki T., and Kawaguchi M.
  • 雑誌名: Molecular Plant-Microbe Interaction 巻: 33 号: 2 ページ: 320-327
  • DOI: 10.1094/mpmi-08-19-0223-r
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ERN1 and CYCLOPS coordinately activate NIN signaling to promote infection thread formation in Lotus japonicus (2019)
  • 著者名/発表者名: Liu Meng、Soyano Takashi、Yano Koji、Hayashi Makoto、Kawaguchi Masayoshi
  • 雑誌名: Journal of Plant Research 巻: 132 号: 5 ページ: 641-653
  • DOI: 10.1007/s10265-019-01122-w
  • NAID: 40022011638
  • 査読あり
• [雑誌論文] PLENTY, a hydroxyproline O-arabinosyltransferase, negatively regulates root nodule symbiosis in Lotus japonicus (2018)
  • 著者名/発表者名: Yoro Emiko、Nishida Hanna、Ogawa-Ohnishi Mari、Yoshida Chie、Suzaki Takuya、Matsubayashi Yoshikatsu、Kawaguchi Masayoshi
  • 雑誌名: Journal of Experimental Botany 巻: 70 号: 2 ページ: 507-517
  • DOI: 10.1093/jxb/ery364
  • NAID: 120007128131
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A NIN-LIKE PROTEIN mediates nitrate-induced control of root nodule symbiosis in Lotus japonicus. (2018)
  • 著者名/発表者名: Nishida, H., Tanaka, S., Handa, Y., Ito, M., Sakamoto, Y., Matsunaga, S., Betsuyaku, S., Miura, K., Soyano, T., Kawaguchi, M., and Suzaki, T.
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 9 号: 1 ページ: 499-499
  • DOI: 10.1038/s41467-018-02831-x
  • NAID: 120007134469
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Function and evolution of a Lotus japonicas AP2/ERF family transcription factor that is required for development of infection threads (2017)
  • 著者名/発表者名: Yano K, Aoki S, Liu M, Umehara Y, Suganuma N, Iwasaki W, Sato S, Soyano T, Kouchi H, Kawaguchi M
  • 雑誌名: DNA Research 巻: 印刷中 ページ: 193-203
  • DOI: 10.1093/dnares/dsw052
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ミヤコグサのモデル化に向けた基盤形成と共生のシステミック制御に関する研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 川口正代司
  • 学会等名: 第61回日本植物生理学会年会 大阪年会サテライトシンポジウム 学会賞受賞講演
  • 招待講演
• [学会発表] ミヤコグサのモデル化に向けた基盤形成と共生のシステミック制御に関する研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 川口正代司
  • 学会等名: 植物微生物研究会オンラインシンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] マメ科のモデル植物ミヤコグサの紹介と共生維持の分子機構 (2020)
  • 著者名/発表者名: 川口正代司
  • 学会等名: 日本共生生物学会第4回大会
  • 招待講演
• [学会発表] Transcriptomic and phenotypic characterization of the shoot during systemic control of nodulation. (2019)
  • 著者名/発表者名: 大熊直生、征矢野敬、川口正代司
  • 学会等名: 日本植物学会第83回大会