放射線トレーサー法と微小電極法を相補的に活用した植物根イオン輸送機構の基礎研究

特別研究員奨励費

小倉 尚晃  東京大学, 農学生命科学研究科, 特別研究員(DC1)

2,500千円 (直接経費: 2,500千円)

作物の生産性は環境条件に左右される。乾燥地域に多い高ナトリウム等の環境条件で高い生産性を保つ植物を開発するためには、まず植物が本来有するイオン輸送機構について理解を深める必要がある。本研究では、ナトリウム輸送体SOS1とマグネシウム輸送体MRS2に焦点を当て、モデル植物シロイヌナズナの輸送体に遺伝子操作を施して植物体のイオン輸送活性を評価することで、各イオンの輸送メカニズムの一端を明らかにする。イオン輸送活性の評価法としては、マクロスケールの輸送評価に長けた放射性トレーサー法とミクロスケールの輸送評価に長けた微小電極イオン流出入速度測定法を相補的に用いることで、イオン動態を詳細に解析する。

植物の生育は環境中の元素濃度などの栄養条件に左右される。本研究では、農地において作物の生育に密接に関わる元素として、塩害の主要因であるナトリウム (Na) と光合成に必須のマグネシウム (Mg) に着目した。
ナトリウム蓄積による生育阻害を回避するために、植物は根から環境へNa+を排出できる。植物のNa+排出輸送体としてはSOS1のみが報告されている。しかしSOS1はその遺伝子発現部位から、根端という根の限定的な領域でのみNa+を根圏へ排出できるとされており、環境へのNa+排出が植物体のNa耐性に寄与するのかが疑問視されてきた。本研究では、植物の根でNa+がどのように根圏へ排出されるのか検証するため、放射線イメージングとイオンフラックス測定を組み合わせたイオン動態解析と、SOS1タンパク質の局在・機能解析を行った。イオン動態解析では、Na+がシロイヌナズナ根の成熟域から排出されることが判明し、このNa+排出がSOS1を介したものであることを示した。SOS1特異抗体を用いたタンパク質局在解析では、既報の遺伝子発現部位とは異なり、成熟域と根端の両方で根の全ての層におけるタンパク質の存在を確認した。さらに細胞型特異的にSOS1が発現する形質転換体を用いた機能解析により、根の内側の層よりも外側の層でSOS1が発現した場合に、根のNa濃度が低下し個体のNa耐性が向上することが明らかになり、SOS1が根圏へのNa+排出を通してNa耐性に寄与していることが示唆された。
マグネシウムは欠乏時に根においてMg2+吸収が促進されることなどが知られているが、欠乏応答の機序が明らかになっていない。本研究では、シロイヌナズナ根において最短30分間の低Mg処理によりMg2+吸収速度が促進され4日後まで維持されること、そしてこの吸収制御が既知Mg2+輸送体の遺伝子発現によらないことを示した。またMg欠乏応答として古い葉から新しい葉への栄養元素の再転流が促進されることを初めて報告した。

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。