農業生態系を構築する植物個体と群落を橋渡しする分子機構の解明による環境調和型農業

• 研究課題/領域番号: 19K22342
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分41:社会経済農学、農業工学およびその関連分野
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 渡辺 正夫 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (90240522)
• 研究分担者: 南澤 究 東北大学, 生命科学研究科, 特任教授 (70167667) ; 牧野 知之 東北大学, 農学研究科, 教授 (60354106) ; 武田 和哉 大谷大学, 文学部, 教授 (90643081)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2020年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円); 2019年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
• キーワード: バイオマス / 栽植密度効果 / 植物ー根圏相互作用 / 遺伝子発現 / 微量金属イオン動態 / 植物-根圏相互作用 / 植物－根圏相互作用

研究開始時の研究の概要

労働集約型農業では、多めに播種し間引きを行う。この間引きは篤農家の経験・伝承・勘に基づいており、科学的根拠に乏しい。一方、植物は幼少期、単独で生長するよりも幾つかの個体での方が生長に有利であり、生育後期に過密による生長低下とは相反する。つまり、成育初期の小群落、間引きの科学的根拠に基づく栽培法の構築は、農業技術へのゲームチェンジングな試みである。本研究では、「疎と密」効果の実態を分子レベルで解明するために、植物の生長に影響を与える、根から分泌される物質、根系微生物との相互作用、土壌中の微量金属イオン動態の調査を行う。さらに、農書からも関連事項を調査し、領域融合的に、実態解明を目指す。

研究成果の概要

単位面積当たり、播種する種子数を疎から密へ八段階で変化させた。一個体当たりの乾物重は最も疎である条件の生長がよいわけではなく、それよりも２段階程度密度が高い方が生育がよかった。この効果を「お友達効果」と名付けた。この「お友達効果」の原因・結果として、土壌中の金属イオン、根圏微生物、植物で発現する遺伝子について調査を行った。発現遺伝子、金属イオンでは栽培密度に連動した特徴的な変化はなかった。一方、根圏微生物叢は変化があることから、根圏微生物叢変化をさらに詳細に検討することが重要であると判断した。また、歴史史料などから類似の研究を調査したが、該当する結果は得られなかった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

日本の様に有効な農地が少なく、労働集約型農業の場合、往々にして必要播種数より多めに播種し、栽培途中で間引きを行う。間引きのタイミング・強度等は、篤農家の経験・伝承・勘に基づいており、科学的根拠に乏しい。一方、植物は幼少期、単独で生長するよりも幾つかの個体で小群落を形成した方が生長に有利であり、生育後期に過密による生長低下とは相反する。一方、先述のように従来の農作技術では対応が難しいような地球環境の変化、農業経営・栽培のグローバル化が迫っている。つまり、成育初期の小群落、間引きの科学的根拠の理解に基づく栽培法の改変ができれば、農業技術をゲームチェンジングでき、社会的な意義は大きい。

研究成果

• [国際共同研究] 順天大学/忠南大学(韓国)
• [国際共同研究] 順天大学(韓国)
• [国際共同研究] 順天大学/忠南大学(韓国)
• [雑誌論文] Fluorescence from abnormally sterile pollen of the Japanese apricot (2021)
  • 著者名/発表者名: Mori, S., Shimma, S., Masuko-Suzuki, H., Watanabe, M., Nakanishi, T., Tsukioka, J., Goto, K., Fukui, H., and Hirai, N.
  • 雑誌名: Ｐｌａｎｔ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 巻: 38 号: 3 ページ: 355-366
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.21.0730a
  • NAID: 130008091691
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • 年月日: 2021-09-25
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spatiogenetic characterization of <i>S</i> receptor kinase (<i>SRK</i>) alleles in naturalized populations of <i>Raphanus sativus</i> L. var. <i>raphanistroides</i> on Yakushima island (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukushima, K., Kanomata, T., Kon, A., Masuko-Suzuki, H., Ito, K., Ogata, S., Takada, Y., Komatsubara, Y., Nakamura, T., Watanabe, T., Koizumi, S., Sanuki, H., Park, J.-I., Niikura, S., Suwabe, K., Fujii, S., Murase, K., Takayama, S., Suzuki, G., and Watanabe, M.
  • 雑誌名: Genes & Genetic Systems 巻: 96 号: 3 ページ: 129-139
  • DOI: 10.1266/ggs.20-00066
  • NAID: 130008102461
  • ISSN: 1341-7568, 1880-5779
  • 年月日: 2021-06-01
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Two aquaporins, SIP1;1 and PIP1;2, mediate water transport for pollen hydration in the <i>Arabidopsis</i> pistil (2021)
  • 著者名/発表者名: Windari, E. A., Ando, M., Mizoguchi, Y., Shimada, H., Ohira, K., Kagaya, Y., Higashiyama, T., Takayama, S., Watanabe, M., and Suwabe, K.
  • 雑誌名: Ｐｌａｎｔ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 巻: 38 号: 1 ページ: 77-87
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.20.1207a
  • NAID: 130008002865
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • 年月日: 2021-03-25
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Genetic diversity of genes controlling unilareral incompatibility in Japanese cultivars of Chinese cabbage. (2021)
  • 著者名/発表者名: Takada, Y., Mihara, Y., He, Y., Xie, H., Ozaki, Y., Nishida, H., Hong, S., Lim, Y. P., Takayama, S., Suzuki, G., and Watanabe, M.
  • 雑誌名: Plants 巻: 10 号: 11 ページ: 2467-2467
  • DOI: 10.3390/plants10112467
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Characterization of self-incompatible <i>Brassica napus</i> lines lacking <i>SP11</i> expression (2020)
  • 著者名/発表者名: Okamoto, T., Okamoto, M., Hikichi, E., Ogawa, M., Takada, Y., Suzuki, G., Takayama, S., and Watanabe, M.
  • 雑誌名: Genes & Genetic Systems 巻: 95 号: 3 ページ: 111-118
  • DOI: 10.1266/ggs.19-00050
  • NAID: 130007891310
  • ISSN: 1341-7568, 1880-5779
  • 年月日: 2020-06-01
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Double-locking mechanism of self-compatibility in Arabidopsis thaliana: the synergistic effect of transcriptional depression and disruption of coding region in the male specificity gene. (2020)
  • 著者名/発表者名: Suwabe, K., Nagasaka, K., Windari, E. A., Hoshiai, C., Ota, T., Takada, M., Kitazumi, A., Masuko-Suzuki, H., Kagaya, Y., Yano, K., Tsuchimatsu, T., Shimizu, K. K., Takayama, S., Suzuki, G., and Watanabe, M.
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 11 ページ: 576140-576140
  • DOI: 10.3389/fpls.2020.576140
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mechanism of self/nonself- discrimination in Brassica self-incompatibility. (2020)
  • 著者名/発表者名: Murase, K., Moriwaki, Y., Mori, T., Xiao, L., Masaka, C., Takada, Y., Maesaki, R., Mishima, M., Fujii, S., Hirano, Y., Kawabe, Z., Nagata, K., Terada, T., Suzuki, G., Watanabe, M., Shimizu, K., Hakoshima, T., and Takayama, S.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 4916-4916
  • DOI: 10.1038/s41467-020-18698-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Genetic and tissue-specific RNA-sequencing analysis of self-compatible mutant TSC28 in <i>Brassica rapa</i> L. toward identification of a novel self-incompatibility factor (2019)
  • 著者名/発表者名: Osaka, M., Nabemoto, M., Maeda, S., Sakazono, S., Masuko-Suzuki, H., Ito, K., Takada, Y., Kobayashi, I., Lim, Y. P., Nakazono, M., Fujii, S., Murase, K., Takayama, S., Suzuki, G., Suwabe, K., and Watanabe, M.
  • 雑誌名: Genes & Genetic Systems 巻: 94 号: 4 ページ: 167-176
  • DOI: 10.1266/ggs.19-00010
  • NAID: 130007738050
  • ISSN: 1341-7568, 1880-5779
  • 年月日: 2019-08-01
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 科学者自身の手で種をまこう (2019)
  • 著者名/発表者名: 渡辺正夫
  • 雑誌名: natureダイジェスト 巻: 16 ページ: 16-17
• [学会発表] 低光強度下トマト根の伸長における希土類元素の影響 (2022)
  • 著者名/発表者名: 井口翔, 徳永達也, 竹中悠人, 渡辺正夫, 石水毅
  • 学会等名: 日本農芸化学会 2022年度京都大会
• [学会発表] 細菌由来の有機塩素系殺虫剤分解に関わるデハロゲナーゼを発現するシロイヌナズナ植物の作製 (2022)
  • 著者名/発表者名: 鄧文昊, 高田美信, 大坪嘉行, 渡辺正夫, 永田裕二
  • 学会等名: 日本農芸化学会 2022年度京都大会
• [学会発表] ゲノム育種の加速化に有効なレガシーデータを活用したGWAS (2022)
  • 著者名/発表者名: 菅波眞央, 小島創一, 吉田英樹, Fanmiao Wang, 森中洋一, 渡辺正夫, 松田幹, 松岡信
  • 学会等名: 日本作物学会第253回講演会
• [学会発表] Brassica rapa における小国カブの近交系統間で起きる一側性不和合性を制御する雌雄因子の同定に向けた遺伝学的解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 金あおい, 高田美信, 清水元樹, 高山誠司, 鈴木剛, 小林恭士, 渡辺正夫
  • 学会等名: 日本育種学会第141回講演会
• [学会発表] B. rapa近交系統間交雑時に生じた新規受粉時一側性不和合性現象の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 金あおい, 高田美信, 清水元樹, 高山誠司, 鈴木剛, 小林恭士, 渡辺正夫
  • 学会等名: 日本育種学会第140回講演会
• [学会発表] 屋久島ハマダイコンの自然集団におけるS対立遺伝子の空間的遺伝構造の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 福島和紀, 鹿股とほこ, 金あおい, 増子(鈴木)潤美, 伊藤加奈, 尾形定義, 高田美信, 小松原幸弘, 中村幹, 渡邉卓実, 小泉沙織, 讃岐斉, Jong-In Park, 新倉聡, 諏訪部圭太, 藤井壮太, 村瀬浩司, 高山誠司, 鈴木剛, 渡辺正夫
  • 学会等名: 日本育種学会 第139回講演会
• [学会発表] Brassica rapa ssp. rapa cv. 77Bで発現した核遺伝子型雄性不稔の原因遺伝子の特定と組織学的観察 (2021)
  • 著者名/発表者名: 尾関未帆, 小松憲治, 田中啓介, 大竹留未, 増子(鈴木)潤美, 高田美信, 渡辺正夫, 三井裕樹, 和久井健司
  • 学会等名: 日本育種学会 第139回講演会
• [学会発表] 屋久島のハマダイコン野生集団における自家不和合性雌側因子SRKアリルの遺伝的多様性. (2020)
  • 著者名/発表者名: 福島和紀, 鹿股とほこ, 金あおい, 増子(鈴木)潤美, 高田美信, 尾形定義, 小松原幸弘, 中村幹, 渡邉卓実, 小泉沙織, 讃岐斉, Jong-In Park, 新倉聡, 諏訪部圭太, 鈴木剛, 渡辺正夫
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
• [学会発表] アブラナ科作物の生理・生態-遺伝、育種、生殖システムからの考察- (2020)
  • 著者名/発表者名: 渡辺正夫
  • 学会等名: 第21回日本有機農業学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] Molecular mechanism of self-incompatibility in Brassicaceae. (2019)
  • 著者名/発表者名: Watanabe, M., and Takayama, S.
  • 学会等名: 2019 KSBS & SABRAO International Conference on Plant Breeding for Sustainable Development
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Molecular mechanisms of self-incompatibility in Brassica. (2019)
  • 著者名/発表者名: Watanabe, M.
  • 学会等名: Topic seminar in GSP on Chungnum University
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Genomic structural variation in the self-incompatibility locus causes a transition from outcrossing to selfing in amphidiploid Arabidopsis kamchatica. (2019)
  • 著者名/発表者名: Ota, T., Kagaya, Y., Suzuki, G., Watanabe, M., and Suwabe, K.
  • 学会等名: 4th Edition of Global Conference on Plant Science and Molecular Biology
  • 国際学会
• [学会発表] Morphological aspect and molecular mechanism of Pollen hydration on pollination in Arabidopsis thaliana. (2019)
  • 著者名/発表者名: Takada, M., Ota, T., Mizoguchi, Y., Ando, M., Kagaya, Y., Suzuki, G., Watanabe, M., and Suwabe, K.
  • 学会等名: 4th Edition of Global Conference on Plant Science and Molecular Biology
  • 国際学会
• [学会発表] Old story of collaborative research in Brassica crops between Japan and Korea. (2019)
  • 著者名/発表者名: Watanabe, M.
  • 学会等名: 2019 Korea-Japan (NRF-JSPS) Cooperation Program
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 「科学者の卵養成講座」を通じた高大連携教育の実践. (2019)
  • 著者名/発表者名: 安藤晃, 渡辺正夫, 伊藤 幸博, 久利美和, 中村肇, 下山せいら, 下山武文
  • 学会等名: 日本工学教育協会. 第67回年次大会
• [学会発表] トルコ由来花粉を拒絶する種内一側性不和合性の日本産ハクサイにおける遺伝的多様性. (2019)
  • 著者名/発表者名: 鈴木剛, 高田美信, 三原淳希, 何雨徽, 謝浩林, 尾崎友亮, 高山誠司, 渡辺正夫
  • 学会等名: 園芸学会 令和元年度秋季大会
• [学会発表] ハクサイ品種における一側性不和合性遺伝子多型と優性非機能型の柱頭側因子SUI1-10 (2019)
  • 著者名/発表者名: 高田美信, 三原淳希, 何雨徽, 謝浩林, 尾崎友亮, 鈴木剛, 高山誠司, 渡辺正夫
  • 学会等名: 日本育種学会 第136回講演会
• [学会発表] Brassica napusを用いた自家不和合性系統と和合性系統の交雑後代における自家不和合性表現型の遺伝学的解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 小川萌菜, 岡本拓実, 岡本美咲, 引地恵梨, 高田美信, 鈴木剛, 高山誠司, 渡辺正夫
  • 学会等名: 日本育種学会 第136回講演会
• [学会発表] Brassica napus で見出したS遺伝子に非依存的な自家不和合性形質の同定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 岡本拓実, 岡本美咲, 引地恵梨, 小川萌菜, 高田美信, 鈴木剛, 高山誠司, 渡辺正夫
  • 学会等名: 日本育種学会 第136回講演会
• [学会発表] おわりに-植物の生殖からみた分子育種- (2019)
  • 著者名/発表者名: 渡辺正夫
  • 学会等名: 日本遺伝学会第91回ワークショップ
• [図書] "自家不和合性", In "遺伝学の百科事典" (2022)
  • 著者名/発表者名: 渡辺正夫, 高山誠司
  • 総ページ数: 690
  • 出版者: 丸善出版
• [図書] "植物における生殖の不思議と自家不和合性", In "改訂 遺伝単 遺伝学用語集 対訳付き(日本遺伝学会監修)" (2021)
  • 著者名/発表者名: 渡辺正夫
  • 総ページ数: 454
  • 出版者: エヌ・ティー・エス出版
• [図書] Chapter 2, Chinese Cabbage (Brassica rapa L. var. pekinensis) Breeding: Application of Molecular Technology, In "Advances in Plant Breeding Strategies: Vegetable Crops (Volume 10: Leaves, Flowerheads, Green Pods, Mushrooms and Truffles (2021)
  • 著者名/発表者名: Okamoto, T., Wei, X., Mehraj, H., Rashed Hossain, M., Akter, A., Miyaji, N., Takada, Y., Park, J.-I., Fujimoto, R., Nou, I.-S., and Watanabe, M.
  • 総ページ数: 540
  • 出版者: Springer International Publishing
• [図書] 宙(おおぞら)、「菜の花」の教育研究から思うこと～道草、自家不和合性、アウトリーチ活動～ (2020)
  • 著者名/発表者名: 渡辺正夫
  • 総ページ数: 16
  • 出版者: 東北大学出版会会報
• [図書] 勉誠出版 (2019)
  • 著者名/発表者名: 武田和哉, 渡辺正夫
  • 総ページ数: 240
  • 出版者: 菜の花と人間の文化史--アブラナ科植物の栽培・利用と食文化--
  • ISBN: 9784585227014
• [備考] 東北大学大学院生命科学研究科 植物分子育種分野
• [備考] 東北大学大学院生命科学研究科 植物分子育種分野
  • URL: http://www.ige.tohoku.ac.jp/prg/watanabe/