希土類金属添加によるバイオマス増加の分子機構解明と農学分野へのパラダイムシフト

2016 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 16K15085
• 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: 石水 毅 立命館大学, 生命科学部, 准教授 (30314355) ; 高橋 真木子 金沢工業大学, イノベーションマネジメント研究科, 教授 (70376680)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 希土類金属 / バイオマス増 / 作物生長 / 遺伝子発現 / 地力

研究実績の概要

作物生長には、窒素・リン酸・カリなどの多量元素に加え、微量元素が必須であるが、これら以外の元素の重要性は未解明である。微生物では、希土類金属添加が新規遺伝子発現を誘導し、希土類金属の未知の機能が示されつつある。申請者は、予備実験で植物成長への希土類金属添加の有効性を見出した。
希土類金属添加が作物の生活環全体(栄養生長～生殖生長)で、生長への影響、希土類金属の作物内分布、土壌微生物相との相互作用も含めて調査する。さらに、バイオマス増加原因を遺伝子発現など分子レベルで解明する。生殖生長では、受粉・受精への影響を詳細に調査する。希土類金属は我が国の工業生産において重要であり、代替金属の活用で競合は小さいが、農業分野への応用がどの程度工業分野と競合するかも推計する。
希土類金属が17種類あり、そのどれが生活環のどのステージで有効か、また、作物種によって、効果が異なるのかと言うことを明確にするために、アブラナ科、ナス科、ウリ科のアブラナ科植物は、モデル植物のシロイヌナズナ、ナス科はトマト、ウリ科ではキュウリなどで生育を調査することとした。水耕栽培系を確立し、また、人工花粉管培地での花粉管身長を測定できる系も構築した。平行して、社会工学的に見た場合、こうした希土類金属が現在の工業市場において、不可欠な金属であるが、その代替金属の探索も行われており、農業分野に応用した場合の影響についても、調査を開始した。
また、本研究と関連した論文(謝辞に科研費番号を記載したもの)を1報、発表した。なお、今年度に実施したアウトリーチ活動は88件であり、こうした活動に対して、仙台市、今治市より感謝状を贈呈され、アウトリーチ活動という社会貢献でも評価された。

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

研究初年度であることから、数種の植物種について、水耕栽培系でshoot、および、rootの生育を調査した。いくつかの植物種を実験に供したが、均一な種子が大量に入手でき、生長を測定したとき、明確な差異が見られたのは、ナス科トマトであったことから、トマトを用いて、人工発芽培地での花粉管伸長も実験を行い、発芽、伸長などどのタイミングで、希土類金属をどの様な濃度で添加するのが効果的であるかを調査した。花粉管伸長では、5-10種程度の希土類金属について、予備的な実験も開始した。
あわせて、希土類金属の市場調査も開始した。

今後の研究の推進方策

最終年度である29年度は、トマトを材料として研究を集中する。水耕栽培での根の生長について、可能な限り多くの希土類金属を添加し、その作用を調査するとともに、金属種による差異を検討する。同様に、花粉発芽についても、トマトを材料として、金属種、その濃度を調査する。適切な濃度が決定されている根の条件について、希土類金属を添加した場合とそうでない場合についての、網羅的遺伝子発現を調査し、希土類金属の添加がどの遺伝子に影響することで、伸長を促進するかを確認する。また、可能であれば、根での金属の局在性についても検討する。花粉管伸長については、濃度条件が検討できれば、根と同じように遺伝子発現を網羅的に調査し、根、花粉管という異なる組織での伸長促進の鍵遺伝子の差異、同一性を確認する。
工業分野との競合については、一定の見解をまとめる。
以上を総合的に検証し、農業分野への応用の可能性を総合的に議論する。

次年度使用額が生じた理由

社会工学的に見た場合、希土類金属に関して、現在の工業市場に於ける景気変動との連関などを調査することが、世界情勢の変動などに伴い、輸出入を含めた調査、予測が困難であったため、その資料集め、解析等を行うことができなかった。

次年度使用額の使用計画

分担者の高橋教授には、これまでの連携からこうした分野に精通した研究者を改めて、洗い出し、今年度での調査の可能性について議論をして、今年度半ばには、一定の方向性が出せることを伺っており、研究を遂行できると判断している。

備考

なお、アウトリーチ活動については、以下のURL参照(http://www.ige.tohoku.ac.jp/prg/watanabe/activty/delivery/, http://www.ige.tohoku.ac.jp/prg/watanabe/activty/cat136/)

研究成果

• [雑誌論文] Characterization of two PEBP genes, SrFT and SrMFT, in thermogenic skunk cabbage (Symplocarpus renifolius). (2016)
  • 著者名/発表者名: Ito-Inaba, Y., Masuko-Suzuki, H., Maekawa, H., Watanabe, M., and Inaba, T.
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 6 ページ: 29440
  • DOI: 10.1038/srep29440
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Comparative analysis of microRNA profiles of rice anthers between cool-sensitive and cool-tolerant cultivars under cool-temperature stress. (2016)
  • 著者名/発表者名: Maeda, S., Sakazono, S., Masuko-Suzuki, H., Taguchi, M., Yamamura, K., Nagano, K., Endo, T., Saeki, K., Osaka, M., Nabemoto, M., Ito, K., Kudo, T., Kobayashi, M., Kawagishi, M., Fujita, K., Nanjo, H., Shindo, T., Yano, K., Suzuki, G., Suwabe, K., and Watanabe, M.
  • 雑誌名: Genes Genet. Syst. 巻: 91 ページ: 97-109
  • DOI: 10.1266/ggs.15-00056
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Identification of reference genes for quantitative expression analysis using large scale RNA-seq data of Arabidopsis thaliana and model crop plants. (2016)
  • 著者名/発表者名: Kudo T, Sasaki Y, Terashima S, Matsuda-Imai N, Takano T, Saito M, Kanno M, Ozaki S, Suwabe K, Suzuki G, Watanabe M, Matsuoka M, Takayama S, Yano K
  • 雑誌名: Genes Genet. Syst. 巻: 91 ページ: 111-125
  • DOI: 10.1266/ggs.15-00065
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Molecular characterization of genes encoding isoamylase-type debranching enzyme in tuberous root of sweet potato, Ipomoea batatas (L.) Lam. (2016)
  • 著者名/発表者名: Nabemoto, M., Watanabe, R., Ohsu, M., Sato, K., Otani, M., Nakayachi, O, and Watanabe, M.
  • 雑誌名: Plant Biotechnol. 巻: 33 ページ: 351-359
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.16.0926a
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Complex dominance hierarchy controlled by polymorphism of small RNAs and their targets. (2016)
  • 著者名/発表者名: Yasuda, S., Wada, Y., Kakizaki, T., Tarutani, Y., Miura-Uno, E., Murase, K., Fujii, S., Hioki, T., Shimoda, T., Takada, Y., Shiba, H., Takasaki-Yasuda, T., Suzuki, G., Watanabe, M., and Takayama, S.
  • 雑誌名: Nature Plants 巻: 3 ページ: 16206
  • DOI: 10.1038/nplants.2016.206
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ABA-mediated flexibility of female stigmatic papillae development in Arabidopsis thaliana. (2017)
  • 著者名/発表者名: Egusa W, Takeda S, Ochiai K, Morimoto H, Sakazono S, Osaka M, Nabemoto M, Kagaya Y, Suzuki G, Watanabe M, Suwabe K
  • 学会等名: International Plant & Animal Genome XXV
  • 発表場所: San Diego, USA
  • 年月日: 2017-01-14 – 2017-01-18
  • 国際学会
• [学会発表] Pollen-cysteine rich peptide CR3 regulates pollen germination in Arabidopsis thaliana. (2017)
  • 著者名/発表者名: Morimoto H, Egusa W, Arakawa C, Masuko-Suzuki H, Suzuki G, Watanabe M, Suwabe K
  • 学会等名: International Plant & Animal Genome XXV
  • 発表場所: San Diego, USA
  • 年月日: 2017-01-14 – 2017-01-18
  • 国際学会
• [学会発表] CR3, a pollen cysteine-rich peptide, induces pollen germination. (2016)
  • 著者名/発表者名: Morimoto H, Egusa W, Arakawa C, Masuko-Suzuki H, Suzuki G, Watanabe M, Suwabe M
  • 学会等名: The International Conference on Arabidopsis Research
  • 発表場所: Gyeongju, Korea
  • 年月日: 2016-06-29 – 2016-07-03
  • 国際学会
• [図書] ”植物の性”，In ”植物学の百科事典” (2016)
  • 著者名/発表者名: 渡辺正夫
  • 総ページ数: 802(466－467)
  • 出版者: 丸善出版
• [備考] 東北大学大学院生命科学研究科・植物生殖遺伝分野・渡辺研究室
  • URL: http://www.ige.tohoku.ac.jp/prg/watanabe/