③ 植物と有用土壌微生物との共生機構の解明

• 課題番号: 2014025642
• 研究機関名: 農業生物資源研究所
• 研究分担: 飯 哲夫; 梅原 洋佐; 今泉 温子; 下田 宜司
• 協力分担関係: 基礎生物学研究所
• 研究期間: 2011-2015
• 年度: 2014
• 摘要: １. ダイズなどマメ科作物の窒素固定効率の向上や、イネなど非マメ科植物への根粒形成能の付与には、根粒共生に関与する植物遺伝子の網羅的な同定が必要である。そこで、23～25年度に報告した、マメ科モデル植物ミヤコグサの内生レトロトランスポゾンLORE1の転移活性化系統、総計46,000系統から選抜した共生変異系統について、破壊遺伝子の網羅的同定を行った。この際、LORE1のみではなく、転移活性が認められたもう一種の内生レトロトランスポゾンLORE2についても新規挿入近傍配列の次世代シーケンサーによる解読を行った。さらに新規挿入と変異表現型との連鎖を後代で解析した結果、複数の系統において既知の共生遺伝子が表現型の原因となっていることが明らかになったほか、新規共生遺伝子が同定された。; ２. 根粒菌の感染及び根粒形成には、根粒菌が分泌する共生シグナルを宿主植物が受容した後、根粒共生及び菌根共生の双方に必須である共通共生経路を介した転写因子の活性化が重要である。この過程において中核をなす転写因子NIN（24年度に報告）に関して、その機能の全体像を把握するために、NINの結合するシス配列（NBS）を網羅的に探索した結果、NBSは、NINのホモログであり陸上植物に広く保存されていること、硝酸応答における主要な転写因子NLPの結合配列と類似していることがわかった。これはNINのDNA結合ドメインであるRWP-RKがNLPに高く保存されていることとも一致する。硝酸は根粒形成に抑制的に働くことを踏まえると、NINとNLPはシス配列への結合を介して拮抗的に機能すると考えられた。; ３. 根粒形成は硝酸のみならず、根粒菌の感染によっても抑制される。これは共生的窒素固定にエネルギーコストが必要なため、十分な窒素化合物が得られる場合にはさらなる根粒形成を抑制する機構が働いていることが理由と考えられている。この抑制においては、ペプチドホルモンCLE-RS1/CLE-RS2の新規合成を介する全身的な制御が関わっているが、これらペプチドの合成が根粒菌の感染により誘導される機構については不明であった。そこで、NINに着目し、その結合部位をゲノムワイドに解析したところ、これらのペプチドホルモン遺伝子の上流にNINが結合することが明らかとなった。NINを異所的に発現させたときには根粒形成が全身的に抑制されることから、NINは根粒形成の全身的な制御にも関わっていると考えられた。; ４. 優良根粒菌の接種は窒素固定能の活用に有用な方法だが、土着菌との競合で効果が上がらない問題がある。そこで、有効な接種法の開発に向けて、宿主植物による根粒菌の認識機構の解明に取り組んだ。ダイズの非親和性根粒形成調節遺伝子Rj4は、特定の菌株（Bradyrhizobium elkanii USDA61）による根粒形成を抑制する。根粒菌は根毛から感染糸を通じて宿主細胞内に侵入し、根粒内で細胞内共生を行うが、非親和性菌は、感染糸形成の頻度が低く、細胞内への侵入が阻害されていると考えられる。マップベースクローニングによって、Rj4遺伝子を同定したところ、タウマチン様タンパク質をコードし、根で恒常的に発現していることが明らかとなった。タウマチン様タンパク質の中には他のタンパク質や多糖類と結合するものが知られており、本遺伝子産物は宿主植物による根粒菌側因子の認識に関わっていると考えられた。
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