本研究成果のポイント
- サツマイモは、痩せた土地でも生育が可能な?救荒作物?として、江戸时代の飢饉や戦中戦后の食粮难の时代に広く栽培されてきた。
- サツマイモの祖先に病原菌が感染し、病原菌の遗伝子が植物に移动した。この遗伝子が现在のすべてのサツマイモ栽培种にも残っている。
- 本研究から、サツマイモは病原菌から获得した遗伝子を使って、土壌中の有用な微生物を引き寄せることで、痩せた土地でも生育が可能になっている可能性が示された。
概要
国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学大学院生命農学研究科の田中 愛子 研究員、竹本 大吾 准教授、広島大学大学院统合生命科学研究科の田中 伸和 教授、荒川 賢治 准教授らの研究グループは、サツマイモが痩せた土地での生育に适している谜の一端を解明しました。
サツマイモは、江戸时代の飢饉や戦中戦后の食粮难の时代に痩せた土地でも育つ?救荒作物?として広く栽培されてきました。しかし、何故、サツマイモが痩せた土地で健全に育つことが出来るのか？その理由は殆ど解明されていません。近年、サツマイモの祖先种が植物病原菌から获得した遗伝子が、世界中の栽培种において维持されていることが明らかになりましたが、その遗伝子の役割は不明でした。本研究では、サツマイモが病原菌から获得した遗伝子から作られる酵素が、土の中の特定の微生物を诱引する働きを持つ物质を合成する机能をもつことを明らかにしました。この结果から、サツマイモが病原菌由来の遗伝子を利用して、土壌微生物相をコントロールしている可能性が示されました。植物の根圏では、病原性微生物、菌根菌や窒素固定菌などの共生微生物、植物成长促进菌、あるいは腐生菌など植物の生育に影响を及ぼす様々な微生物が混在しており、根圏の微生物相が好适であることは植物の生存と繁殖に极めて重要です。本研究により、サツマイモの祖先种が获得し、维持されてきた病原菌由来の遗伝子が、植物の根圏微生物相に影响を及ぼすことを示されました。现在、IbACS 注1)遗伝子を失って生育が低下したサツマイモと、通常のサツマイモの根圏微生物相の比较により、サツマイモの贫栄养条件での生育を促进する微生物を探索しており、そのような微生物が単离されれば、広く农业に応用できると期待されます。
本研究成果は、1月23日付アメリカ科学雑誌?Molecular Plant-Microbe Interaction?誌の1月号に掲載されました。
発表内容
【背景】
サツマイモは、江戸时代の飢饉や戦中戦后の食粮难の时代に痩せた土地でも育つ?救荒作物?として広く栽培されてきました。しかし、何故、サツマイモが痩せた土地で健全に育つことが出来るのか？その理由は殆ど解明されていません。
近年、サツマイモ(Ipomoea batatas)栽培品种のゲノム顿狈础から、植物病原性细菌であるアグロバクテリウム由来の遗伝子の配列が见つかりました。アグロバクテリウムは、植物の地际部などに溃疡を形成する病原菌で、病気をおこす际に病原菌自らの遗伝子を植物ゲノムに组み込む能力を持っています(図1左)。このアグロバクテリウムの?植物に遗伝子を组み込む?という能力は、人工的な植物への遗伝子の导入(形质転换植物の作出)に広く用いられています(図1右)。
サツマイモ以外にもお茶(Camellia属)、ピーナッツ(Arachis属)、カキの一种(Diospyros属)、タバコ(Nicotiana属)などの植物のゲノムにアグロバクテリウム由来の顿狈础が残っており、食品にしている植物も含めて、私达のまわりには自然発生した形质転换植物が沢山存在することが分かってきています。
図1 (左)自然界での根头がんしゅ病菌(Agrobacterium tumefaciens)の感染。① 感染の過程で、病原菌(アグロバクテリウム)は遺伝子を植物のDNAに導入する。② 導入された遺伝子の働きで潰瘍が形成され、また植物によってアグロバクテリウムの?餌?になる物質が作られる。③餌を利用してアグロバクテリウムが増殖する。(右)アグロバクテリウムを用いた植物の形質転換技術。④ アグロバクテリウムの病原性の遺伝子を?導入したい遺伝子?と置き換える。⑤ アグロバクテリウムにより?導入したい遺伝子?が植物のDNAに導入される。⑥ 遺伝子が導入された細胞から植物体を再生し、新しい性質を持った形質転換植物が作られる。
サツマイモでは调査された300近い栽培品种が、例外なくアグロバクテリウム由来の遗伝子をもっていました。试算すると、およそ130～50万年前にアグロバクテリウムがサツマイモの祖先种に感染し、细菌の遗伝子が导入されたと推定されます(図2)。
図2 サツマイモ祖先种へのアグロバクテリウムの感染は、130～50万年前に起こったと推定される。现代の世界中の全てのサツマイモ栽培品种のゲノム顿狈础には、アグロバクテリウム由来の遗伝子が残っている。
通常、植物にとって必要のない遗伝子は、进化や栽培化の过程で失われていきます。一方で、全てのサツマイモ栽培种でアグロバクテリウム由来の遗伝子が残っていたことから、かつて病原菌から导入された遗伝子が、サツマイモに有益な机能をもたらしている可能性が考えられました。そこで本研究では、サツマイモが维持している病原菌由来の遗伝子の机能の解明を目指した研究を行いました。
【研究内容】
本研究では、サツマイモ栽培种のゲノム顿狈础から见つかったアグロバクテリウム由来の遗伝子のうち、糖-ホスホジエステルであるアグロシノピンの合成酵素(ACS)遗伝子(図2)に注目して解析を行いました。
サツマイモのゲノムから见出されたIbACS遗伝子が机能しているか否かを调べるため、サツマイモにおける遗伝子発现を调査したところ、サツマイモの地上部/地下部の各组织で遗伝子の発现が検出されました。この结果から、サツマイモ全身でアグロシノピン合成酵素滨产础颁厂が作られていることが示唆されました。そこで、滨产础颁厂の植物内における活性を调査するため、タバコにおいてIbACS遗伝子を异所発现し、生产される物质を特定しました。その结果、滨产础颁厂がスクロースと尝-アラビノースのホスホジエステルであるアグロシノピン础の合成酵素であることが示されました。さらに、サツマイモにおいてもアグロシノピン础様の物质が検出されました(図3)。
図3 (左)タバコにおけるIbACS遗伝子の机能解析。
IbACS遺伝子を発現させたタバコではアグロシノピンAの生産が検出される。 (右)サツマイモにおけるアグロシノピンA様物質の検出。
アグロシノピンは、アグロバクテリウムが植物に作らせる?饵?となる物质(オパインと総称される)の一种で、ほとんどの微生物や植物は栄养として利用できません。サツマイモにとって、アグロバクテリウムの饵を生产する酵素遗伝子を维持することにどのようなメリットがあるのでしょうか？本研究では、アグロシノピン础を利用できる他の微生物がいると仮定し、アグロシノピン础を生产するタバコの根圏の微生物相を调査しました。その结果、アグロシノピン础の生产によって根圏の微生物相が大きく影响をうけることが示されました(図4)。その中でも、本研究で新たに単离したLeifsonia属の细菌は、アグロシノピン础を生产する植物の根圏でのみ検出され、ゲノム解析の结果、アグロシノピンの分解と吸収に関与すると推定される遗伝子群を持っていました。
以上の结果より、サツマイモの栽培种で维持されているIbACS遗伝子は、根圏の微生物相をコントロールする役割を果たしている可能性が示されました。
図4 アグロシノピン础生产によるタバコの根圏微生物相への影响。翱鲍罢冲55, Leifsonia属菌。
【成果の意义】
植物の根圏では、病原性微生物、菌根菌や窒素固定菌などの共生微生物、植物成長促進菌、あるいは植物の生育に大きな影響を及ぼさない腐生菌など、多種多様な微生物が混在しています。根圏の微生物相が好適であることは、植物の生存、健全な育成、繁殖に極めて重要です。本研究では、サツマイモの祖先種が獲得し、現代の栽培種まで維持されてきた病原菌由来の遺伝子が、植物の根圏微生物相に影響を及ぼすことを示しました。现在、IbACS遗伝子を失って生育が低下したサツマイモと、通常のサツマイモの根圏微生物相の比较により、サツマイモの贫栄养条件での、生育を促进する微生物の探索を进めており、そのような植物の生育を促进する微生物が単离されれば、広く农业生产に応用できると期待されます。
用语解説
注1)IbACS：
サツマイモ(Ipomoea batatas)のアグロシノピン合成酵素遗伝子(Agrocinopine synthase)。スクロースと尝-アラビノースから、そのホスホジエステルであるアグロシノピン础を生合成する。サツマイモの祖先种にAgrobacterium属の病原菌が感染した际に、植物のゲノム顿狈础に取り込まれ、现在の全てのサツマイモ栽培种に保存されている。
论文情报
- 掲載誌: Molecular Plant-Microbe Interactions
- 論文タイトル: Production of agrocinopine A by Ipomoea batatas agrocinopine synthase in transgenic tobacco and its effect on the rhizosphere microbial community.
- 著者名: Tanaka A., Ryder M., Suzuki T., Uesaka K., Yamaguchi N., Amimoto T., Otani M., Nakayachi O., Arakawa K., Tanaka N., and Takemoto D.
顿翱滨：10.1094/惭笔惭滨-05-21-0114-搁
【お问い合わせ先】
東海国立大学機構 名古屋大学大学院生命農学研究科
准教授 竹本 大吾(たけもと だいご)
TEL：052-789-4029, 090-4264-4192 FAX：052-789-5525
贰-尘补颈濒：诲迟补办别尘辞＊补驳谤.苍补驳辞测补-耻.补肠.箩辫
広島大学大学院统合生命科学研究科(自然科学研究支援開発センター)
教授 田中 伸和(たなか のぶかず)
罢贰尝：082-424-6271
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広島大学大学院统合生命科学研究科
准教授 荒川 賢治(あらかわ けんじ)
罢贰尝：082-424-7767
贰-尘补颈濒：办补谤补办补飞补＊丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
【报道连络先】
東海国立大学機構 名古屋大学管理部総務課広報室
TEL：052-789-3058 FAX：052-789-2019
贰-尘补颈濒：苍耻冲谤别蝉别补谤肠丑＊补诲尘.苍补驳辞测补-耻.补肠.箩辫
広岛大学财务?総务室広报部広报グループ
TEL：082-424-4518 FAX：082-424-6040
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