アーバスキュラー菌根共生系から根粒共生系への進化基盤の解明

2014 年度 実績報告書

• 研究領域: 複合適応形質進化の遺伝子基盤解明
• 研究課題/領域番号: 22128006
• 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)
• 研究分担者: 齋藤 勝晴 信州大学, 農学部, 准教授 (40444244)
• 研究期間 (年度): 2010-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: アーバスキュラー菌根菌 / 共生 / 進化 / 根粒共生系 / 複合適応形質 / 数理モデル解析

研究実績の概要

・一分子シーケンサーを用いて、アーバスキュラー菌根菌(AM菌)より分岐年代が古いアツギケカビ目の２種、Sphaerocreas pubescensとEndogone pisiformisのドラフトゲノム配列を決定した。両菌種ともチロシンキナーゼ様遺伝子が多様化しており、AM菌と共通した特徴を示した。
・ミヤコグサのRNA-seq 解析から、菌根形成過程で発現変動するミヤコグサの8つの転写因子について、その下流遺伝子候補をDEX誘導系で特定した。この転写因子のうち菌根誘導性AP2/ERF転写因子は菌根の樹枝状体で発現するとともに根粒原基でも発現していることを見いだした。
・外生菌根性の獲得という共生の初期段階に関わる遺伝子の探索を目的として、ホンシメジの全ゲノム解読を行った。昨年度に実施したゲノムシークエンス結果を見直し、真核生物で保存されている遺伝子の95%を含む信頼性の高いゲノムデータを得た。
・マメ科植物との共生において、根粒菌は植物からBenefitを受け取る代わりにCostを払っている。窒素固定能の進化ダイナミクスの数理モデル解析により、この共生進化はCostとBenefitのバランスに依存しており、両者が拮抗した条件ではCostをほとんど負担せず一方的にBenefitを得る「ぼったくり菌」が出現することが分かった。
・根粒共生系の進化基盤の解明：　根粒共生の制御ネットワークを知るために、根粒形成の全身的フィードバック制御を駆動する因子を調べた。その結果、根粒形成の正の制御因子であるNINがCLEペプチド遺伝子を直接活性化することを明らかにした。また窒素条件で根粒を制御する遺伝子も同定した。これまでの知見を総合すると、マメ科植物はAM菌との共生系を基盤として、SAM制御ネットワークと窒素応答関連の遺伝子をリクルートすることにより、安定した根粒共生系を進化させたと考えられた。

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Leguminous plants: inventors of root nodules to accommodate symbiotic bacteria. (2015)
  • 著者名/発表者名: Suzaki, T., Yoro, E., and Kawaguchi, M.
  • 雑誌名: Int. Rev. Cell Mol. Biol. 巻: 316 ページ: 111-158
  • DOI: 10.1016/bs.ircmb.2015.01.004.
• [雑誌論文] Gibberellins interfere with symbiosis signaling and gene expression and alter colonization by arbuscular mycorrhizal fungi in Lotus japonicus. (2015)
  • 著者名/発表者名: Takeda, N., Handa, Y., Tsuzuki, S., Kojima, M., Sakakibara, H., and Kawaguchi, M.
  • 雑誌名: Plant Physiol. 巻: 167 ページ: 545-557
  • DOI: 10.1104/pp.114.247700.
• [雑誌論文] Oriented cell division shapes carnivorous pitcher leaves of Sarracenia purpurea. (2015)
  • 著者名/発表者名: Fukushima, K., Fujita, H., Yamaguchi, T., Kawaguchi, M., Tsukaya, H., and Hasebe, M.
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 6 ページ: 6450
  • DOI: 10.1038/ncomms7450.
• [雑誌論文] Root nodulation: a developmental program involving cell fate conversion triggered by symbiotic bacterial infection. (2014)
  • 著者名/発表者名: Suzaki, T., and Kawaguchi, M.
  • 雑誌名: Curr. Opin. Plant Biol. 巻: 21 ページ: 16-22
  • DOI: 10.1016/j.pbi.2014.06.002.
• [雑誌論文] Shoot-derived cytokinins systemically regulate root nodulation. (2014)
  • 著者名/発表者名: Sasaki, T., Suzaki, T., Soyano, T., Kojima, M., Sakakibara, H. and Kawaguchi, M.
  • 雑誌名: Nat. Commun. 巻: 5 ページ: 4983
  • DOI: 10.1038/ncomms5983.
• [雑誌論文] NODULE INCEPTION creates a long-distance negative feedback loop involved in homeostatic regulation of nodule organ production. (2014)
  • 著者名/発表者名: Soyano, T., Hirakawa, H., Sato, S., *Hayashi, M., and Kawaguchi, M.
  • 雑誌名: Proc Natl Acad Sci USA 巻: 111 ページ: 14607-14612
  • DOI: 10.1073/pnas.1412716111.
• [雑誌論文] Endoreduplication- mediated initiation of symbiotic organ development in Lotus japonicus. (2014)
  • 著者名/発表者名: Suzaki, T., Ito, M., Yoro, E., Sato, S., Hirakawa, H. Takeda, N., and Kawaguchi, M.
  • 雑誌名: Development 巻: 141 ページ: 2441-2445
  • DOI: 10.1242/dev.107946.
• [雑誌論文] A positive regulator of nodule organogenesis, NODULE INCEPTION, acts as a negative regulator of rhizobial infection in Lotus japonicus. (2014)
  • 著者名/発表者名: Yoro, E., Suzaki, T., Toyokura, K., Miyazawa, H., Fukaki, H., and Kawaguchi, M.
  • 雑誌名: Plant Physiol. 巻: 165 ページ: 747-758
• [雑誌論文] Polymorphisms of E1 and GIGANTEA in wild populations of Lotus japonicus. (2014)
  • 著者名/発表者名: Wakabayashi, T., Oh, H., Kawaguchi, M., Harada, K., Sato, S., Ikeda, H., and Setoguchi, H.
  • 雑誌名: J. Plant Res. 巻: 127 ページ: 651-660
  • DOI: 10.1007/s10265-014-0649-8.
• [雑誌論文] Isolation and phenotypic characterization of Lotus japonicus mutants specifically defective in arbuscular mycorrhizal formation. (2014)
  • 著者名/発表者名: Kojima, T., Saito, K., Oba, H., Yoshida, Y., Terasawa, J., Umehara, Y., Suganuma, N., Kawaguchi, M., and Ohtomo, R.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 巻: 55 ページ: 928-941
  • DOI: 10.1093/pcp/pcu024.
• [雑誌論文] Polyphosphate accumulation is driven by transcriptome alterations that lead to near-synchronous and near-equivalent uptake of inorganic cations in an arbuscular mycorrhizal fungus. (2014)
  • 著者名/発表者名: Kikuchi, Y., Hijikata, N., Yokoyama, K., Ohtomo, R., Handa, Y., Kawaguchi, M., Saito, K., and Ezawa, T.
  • 雑誌名: New Phytol. 巻: 204 ページ: 638-649
  • DOI: 10.1111/nph.12937.
• [雑誌論文] Transcriptomic profiles of nodule senescence in Lotus japonicus and Mesorhizobium loti symbiosis. (2014)
  • 著者名/発表者名: Chungopast, S., Hirakawa, H., Sato, S., Handa, Y., Saito, K., Kawaguchi, M., Tajima, S., and Nomura, M.
  • 雑誌名: Plant Biotechnol. 巻: 31 ページ: 345-349
• [学会発表] 外生菌根菌ホンシメジの新規全ゲノム解読 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小林裕樹、川口正代司
  • 学会等名: 日本植物学会第78回大会
  • 発表場所: 明治大学 生田キャンパス（神奈川県川崎市）
  • 年月日: 2014-09-12 – 2014-09-14
• [学会発表] アーバスキュラー菌根共生系から根粒共生系への進化基盤の解明 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小林裕樹、川口正代司
  • 学会等名: 新学術領域第1回領域会議
  • 発表場所: 釧路市観光国際交流センター（北海道釧路市）
  • 年月日: 2014-08-18 – 2014-08-19
• [学会発表] Model for Stomatol Pattern Formation in Plants (2014)
  • 著者名/発表者名: 藤田浩徳、川口正代司
  • 学会等名: JSMB/SMB 2014 OSAKA
  • 発表場所: 大阪国際会議場（大阪府大阪市）
  • 年月日: 2014-07-29 – 2014-08-01
• [学会発表] Sphaerocreas pubescensとEndogone pisiformisのゲノム解析は陸上植物と真菌との共生の進化について理解を深める (2014)
  • 著者名/発表者名: 半田佳宏、川口正代司
  • 学会等名: 日本菌学会第58回大会
  • 発表場所: サイエンスヒルズこまつ（石川県小松市）
  • 年月日: 2014-06-13 – 2014-06-15
• [学会発表] 植物茎頂分裂組織における反応拡散パターン (2014)
  • 著者名/発表者名: 藤田浩徳、川口正代司
  • 学会等名: 第14回日本発生生物学会
  • 発表場所: ウィンクあいち（愛知県名古屋市）
  • 年月日: 2014-05-27 – 2014-05-29
• [図書] Genes for autoregulaton of nodulation. In The Lotus japonicus Genome edited by Tabata, S. and Stougaard, J. (2014)
  • 著者名/発表者名: Kawaguchi, M.
  • 総ページ数: 6（73-78）
  • 出版者: Springer
• [図書] Wild accessions and mutant resources. In The Lotus japonicus Genome edited by Tabata, S. and Stougaard, J. (2014)
  • 著者名/発表者名: Kawaguchi, M., and Sandal, N.
  • 総ページ数: 10（211-220）
  • 出版者: Springer