広報活動

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2012年1月11日

独立行政法人 理化学研究所

超低濃度の窒素栄養を効率よく吸収する仕組みをシロイヌナズナで解明

-低肥料でも生産量の落ちない農作物の開発へ手がかり-

ポイント

  • 窒素栄養吸収を担うタンパク質「NRT2.4」は側根の表皮細胞の土に接する側に偏在
  • NRT2.4は超低濃度の硝酸イオン環境で効率的吸収を担う
  • 環境負荷が少ない低投入持続型農業への応用が期待

要旨

独立行政法人理化学研究所(野依良治理事長)は、シロイヌナズナの硝酸イオン輸送タンパク質「NRT2.4」が、超低濃度環境で窒素栄養の吸収を担うことを発見しました。これは、理研植物科学研究センター(篠崎一雄センター長)生産機能研究グループの木羽隆敏研究員、榊原均グループディレクターと、イギリスのジョンイネスセンターのアンソニー ミラー(Anthony Miller)シニアサイエンティスト、フランス国立農学研究所のアン クラップ(Anne Krapp)アソシエイトグループリーダーらによる共同研究グループの成果です。

窒素は、植物の成長や農作物の生産に欠かせない必須栄養素です。多くの植物は、硝酸イオンを主要な窒素栄養として利用しますが、土壌中では植物が十分に成長するのに見合う量が存在しません。この限られた硝酸イオンをめぐって熾烈な争奪戦が繰り広げられています。一方、農業の現場では、生産性向上を図るため窒素肥料を大量に使用する結果、温暖化ガスの発生や水質汚濁などの環境問題や食糧価格の上昇などの経済問題を引き起こしています。植物は低窒素環境下で生き抜くために、効率よく窒素栄養を吸収する仕組みを備えていると考えており、その詳しい仕組みが分かり応用できれば、窒素肥料の大量消費から生じる問題が解決できる可能性がありますが、実現に至っていません。今回共同研究グループは、効率良く窒素栄養を利用するためには根からの吸収が重要と考え、実験モデル植物であるシロイヌナズナを用いて研究しました。低窒素環境下で発現が増える硝酸イオンの輸送タンパク質NRT2.4に注目し、詳細な発現分布やその役割について調べました。その結果、NRT2.4遺伝子は土と直接接する側根の表皮細胞※1で発現することや、NRT2.4タンパク質が表皮細胞内で土と接する側に偏って配置され、土から効率よく硝酸イオンを取り込む仕組みがあることを発見しました。また、このNRT2.4遺伝子を破壊したシロイヌナズナでは、超低濃度の環境下だけで、硝酸イオンの吸収能が低下することを突き止めました。これらの結果から、NRT2.4が超低濃度の環境での硝酸イオンの効率的な吸収を担っていることが分かりました。

今回の知見を応用すると省肥料でも生産性が落ちず、環境負荷の少ない低投入持続型農業※2に適した農作物の開発に貢献すると期待できます。本研究成果は、米国の科学雑誌『The Plant Cell』オンライン版に近く掲載されます。

背景

農業分野では、生産向上のため窒素肥料を大量に使用しています。しかし、田畑に投入された肥料の半分以上は農作物に吸収されずに環境中に流出してしまいます。その結果、温暖化ガスである一酸化窒素の発生や水質汚濁などの環境問題だけでなく、食糧価格の上昇などの経済問題も引き起こしています。そのため、窒素肥料の使用量の削減と、より効率よく窒素栄養を吸収する農作物の開発が望まれています。

多くの植物は硝酸イオンを主要な窒素栄養として利用し、根から吸収した土壌中の硝酸イオンと、葉から吸収した二酸化炭素を利用して、アミノ酸などを合成します。硝酸イオンの存在量が少ない環境では、吸収の段階が特に重要で、硝酸イオンの輸送タンパク質であるNRT2の働きが必要となります。モデル実験植物のシロイヌナズナのNRT2には、NRT2.1からNRT2.7までの7つの遺伝子が存在します。このうち、NRT2.1とNRT2.2は主根※3皮層細胞※1で発現し、硝酸イオンの吸収を担っていることが明らかになっていますが、他のタンパク質については解析が進んでいませんでした。特に、土と直接接する根の表皮細胞で働くタンパク質が何なのかは不明でした。

研究手法と成果

共同研究グループは、シロイヌナズナの硝酸イオンの輸送タンパク質のうち、低窒素環境下で発現が増えるNRT2.4に注目して研究を行いました。まず、NRT2.4遺伝子が植物体のどこで発現するのかを調べるため、NRT2.4遺伝子のプロモーター※4に蛍光タンパク質GFPの遺伝子をつなぎシロイヌナズナに導入しました。その結果、GFPの蛍光を側根※3で検出しました(図1A、B)。また、側根内の詳しい分布を調べたところ、土と直接接する表皮細胞で発現を確認しました(図1C、D)

さらに、実際にコードされたNRT2.4が表皮細胞内のどこに存在するのか解析するため、NRT2.4と蛍光タンパク質GFPを融合したタンパク質を導入して調べました。その結果、土と接する側の細胞膜に偏って分布することが分かりました(図2)。以上のことから、NRT2.4は土壌から効率よく硝酸イオンを取り込むのに適したかたちで配置されていることが分かりました。

次に、NRT2.4の働きについて調べるため、NRT2.4遺伝子を破壊したシロイヌナズナの硝酸イオン吸収能を解析しました。その結果、高濃度硝酸イオンの環境下では有意な違いは見られないのですが、超低濃度硝酸イオンの環境下(0.025mM※5以下)での吸収能が半減(53%減)することを突き止めました(図3)。これらのことから、NRT2.4が輸送タンパク質のなかで、超低濃度の硝酸イオン環境における効率的な吸収を担っていることが分かりました。

今後の期待

今回、シロイヌナズナを用いて超低濃度の硝酸イオンを効率的に吸収する仕組みの一端を明らかにしました。今後、その全容を解明することにより、省肥料でも生産性の落ちない、低投入持続型農業に適した農作物の開発への道が拓かれると期待できます。

原論文情報

  • Takatoshi Kiba, Ana-Belen Feria-Bourrellier, Florence Lafouge, Lina Lezhneva, Stéphanie Boutet-Mercey, Mathilde Orsel, Virginie Bréhaut, Anthony Miller, Françoise Daniel-Vedele, Hitoshi Sakakibara, and Anne Krapp “The Arabidopsis Nitrate Transporter NRT2.4 Plays a Double Role in Roots and Shoots of Nitrogen-starved Plants”.The Plant Cell,doi:10.1105/tpc.111.092221

発表者

理化学研究所
植物科学研究センター 生産機能研究グループ
研究員 木羽 隆敏(きば たかとし)
Tel: 045-503-9576 / Fax: 045-503-9609

グループディレクター 榊原 均(さかきばら ひとし)
Tel: 045-503-9576 / Fax: 045-503-9609

お問い合わせ先

横浜研究推進部 企画課
Tel: 045-503-9117 / Fax: 045-503-9113

報道担当

理化学研究所 広報室 報道担当
Tel: 048-467-9272 / Fax: 048-462-4715
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産業利用に関するお問い合わせ

理化学研究所 社会知創成事業 連携推進部
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補足説明

  1. 表皮細胞、皮層細胞
    植物の体表面に存在し、外界と接する細胞が表皮細胞である。シロイヌナズナでは、表皮細胞の1つ内側の細胞が皮層細胞と呼ばれる。
  2. 低投入持続型農業
    化学肥料などの人工的資材をなるべく使わず、自然の物質循環を生かして、環境への負荷をかけずに行う農業のこと。
  3. 主根、側根
    シロイヌナズナを含む双子葉植物では、一番始めに発生する根を主根、主根から分岐する根を側根と呼ぶ。一般に植物は、側根を伸ばして根の表面積を広げ、より効率の良い栄養吸収を行うと考えられている。
  4. プロモーター
    ある遺伝子を発現させる機能を持つ塩基配列。
  5. mM(ミリモーラー)
    Mはmol/Lと同意。molは物質の量の単位で、ある分子が6.02×1023個あつまったときに1molという。mmolはmolの1000分の1の単位。つまり、リットルあたりの物質量の単位。

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NRT2.4遺伝子の植物体での発現場所

図1. NRT2.4遺伝子の植物体での発現場所

A:10日間栽培したシロイヌナズナの様子。主根と側根の位置を三角印で示した。
B:NRT2.4遺伝子のプロモーターに蛍光タンパク質GFPの遺伝子をつなぎシロイヌナズナに導入、GFPの蛍光(緑)を検出した。赤は葉緑素が発する蛍光。NRT2.4遺伝子は側根で発現している。
C:側根の拡大写真。表皮細胞を矢印で示した。
D:NRT2.4遺伝子(緑)は、側根の最表層の表皮細胞だけで発現している。

表皮細胞内でのNRT2.4タンパク質の存在場所

図2. 表皮細胞内でのNRT2.4タンパク質の存在場所

A:試薬FM4-64で、細胞膜を赤く染色した画像。
B:NRT2.4と蛍光タンパク質GFP(緑)を融合したタンパク質をシロイヌナズナの表皮細胞に導入した。
C:AとBの画像を合成したもの。黄色は赤と緑が重なった部分。NRT2.4は、細胞膜のうち細胞の外側に面した部分に局在している。
D:側根の横断面画像。GFP蛍光を根の外周に検出した。

野生株とNRT2.4遺伝子破壊株の硝酸イオンの吸収能

図3. 野生株とNRT2.4遺伝子破壊株の硝酸イオンの吸収能

高濃度の硝酸イオン濃度では違いは見られないが、超低濃度(0.01mM と0.025mM)になると、有意な吸収能の低下が見られる。このことから、超低濃度の硝酸イオン環境において、NRT2.4が重要であることが分かる。

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