マメ科植物の栄養環境適応戦略 ~窒素栄養に応答して遺伝子発現を調節する仕組み~

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2021-04-09 筑波大学,基礎生物学研究所,科学技術振興機構

マメ科植物は窒素栄養の乏しい土壌でも生育できます。根に根粒と呼ばれる器官を形成して根粒菌と共生し、根粒菌が固定した大気中の窒素を利用できるからです。根粒共生と呼ばれる現象ですが、共生を成立させるために植物は、光合成産物を根粒菌に供給する必要があります。そこで植物は、硝酸など窒素栄養が豊富な土壌では窒素栄養を直接得る戦略に切り替え、根粒共生に伴う不必要なエネルギーの消費を防いでいます。しかし、この仕組みの大部分はいまだに未解明のままでした。

本研究グループはマメ科のモデル植物ミヤコグサを用いた研究で、特定のDNA配列と結合して遺伝子の発現を調節する2つのたんぱく質(NLP転写因子)NRSYM1とNRSYM2が、硝酸の濃度に応じて遺伝子の発現を制御する主要な因子であることを明らかにしました。

また、根粒を作る働きを持つNINと呼ばれる転写因子の標的遺伝子の発現の多くは、NRSYM1転写因子とNRSYM2転写因子の働きによって抑制されることを突き止めました。さらに、硝酸が豊富な条件下では、NRSYM1転写因子がNIN転写因子と相互作用をすることで、NIN転写因子の標的遺伝子の発現が抑制される可能性も新たに示唆されました。

これらの発見により、転写因子を介した植物の遺伝子発現制御の基本的な仕組みの理解が深まるとともに、「窒素栄養が豊富な環境で植物はどのようにして根粒共生をやめるのか」という問いに答える重要な基礎的知見を提供することができました。

本研究成果は、根粒共生の進化基盤の解明や、大豆に代表されるマメ科作物の効率的な肥料管理など、持続可能な農業の実現に貢献することが期待されます。

本研究成果は2021年4月7日(米国東部時間)に「The Plant Cell」誌に掲載されました。

科研費・基盤研究(B)(JP19H03239)、新学術領域研究「環境記憶統合」・公募研究(JP18H04773)、学術変革領域研究(A)「不均一環境と植物」・計画研究(JP20H05908)、科学技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業 総括実施型研究(ERATO)「野村集団微生物制御プロジェクト」(JPMJER1502)、T-PIRC遺伝子実験センター「形質転換植物デザイン研究拠点」の一部によって実施されました。

詳しい資料は≫

<論文タイトル>
“Different DNA-binding specificities between NLP and NIN transcription factors underlie nitrate-induced control of root nodulation.”
(NLPとNIN転写因子のDNA結合特異性の違いが硝酸による根粒形成抑制の基礎をなす)
DOI:10.1093/plcell/koab103
<お問い合わせ先>

<研究に関すること>
壽崎 拓哉(スザキ タクヤ)
筑波大学 生命環境系/つくば機能植物イノベーション研究センター(T-PIRC) 准教授

<JST事業に関すること>
内田 信裕(ウチダ ノブヒロ)
科学技術振興機構 研究プロジェクト推進部ICT/ライフイノベーショングループ

<報道担当>
筑波大学 広報室
科学技術振興機構 広報課

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