研究項目及び実施体制
酸性土壌における生産性向上を目的とした植物のアルミニウム耐性機構の解明と耐性植物の作出
(松本英明/岡山大学資源生物科学研究所)
研究の目的
酸性土壌は世界の農耕地の30～40%を占め、約4億ヘクタール存在すると言われ、世界中に広く分布し、日本を含む東南アジア地域にも多い。酸性土壌は農耕地としていわゆる問題土壌の一つであるが、その原因は酸性下で溶解するアルミニウムイオン(Al3+)による根の伸長阻害である。本課題ではAl毒性を解明するとともに耐性機構を解明し、Al耐性遺伝子を発見し、形質転換植物の作出に利用することを目的とした。
研究の内容
A1毒性機構について以下の点を研究した。(1)A1障害の指標となるカロースと原形質連絡の阻害、(2)A1による酸素ストレス、(3)A1による細胞壁、原形質膜機能障害、(4)A1による細胞分裂阻害。
A1耐性機構に関して、有機酸分泌を中心に以下の点を研究した。(1)A1によるリンゴ酸分泌とシグナル伝達、(2)原形質膜上のリンゴ酸トランスポーターの実体を遺伝子の面から初めて解明し、その機構をアフリカツメガエルの卵母細胞を用いて電気生理学的に解明、(3)新たに発見したコムギリンゴ酸トランスポーター遺伝子をイネに導入した。
主要な成果
A1毒性について
- 原形質連絡を介した細胞間物質輸送がA1により阻害された。
- A1によりミトコンドリアの機能が低下し、活性酸素が誘発され、脂質過酸化が引き起こされた。
- A1により細胞壁の伸展性が阻害され、原形質膜の表面荷電が脱分極した。
- A1により細胞分裂に関わる紡錘体(チューブリン)が消滅した。
A1耐性機構について
- 準同質遺伝子系統のA1耐性(ET 8)と感受性(ES 8)コムギを用い、ET 8のリンゴ酸分泌はA1処理後数分以内に起こり、その過程に48 KDのタンパクリン酸化酵素の一過的活性化が起こった。
- ET 8根端でより高い発現を示すcDNAを見つけた。この遺伝子の構造を解析するとともに、機能解析によりリンゴ酸トランスポーターであり、植物由来のA1耐性遺伝子であることを初めて明らかにし、ALMT-1と名付けた。
- ALMT-1をリンゴ酸を分泌しないイネに導入すると、A1によってリンゴ酸を分泌した。
- A1耐性を示す真菌を土壌から分離し、その耐性遺伝子を解析した。
主な発表論文
- Sivaguru M., et al. : Aluminum_induced 1→3-β-D-glucan inhibits cell-to-cell trafficking of molecules through plasmodesmata : A new mechanism of aluminum toxicity in plants : Plant Physiol., 124 : 991_1005 (2000)
- Ahn S. J., et al. : Aluminum inhibits the H+-ATPase activity by permanently altering the plasma membrane surface potentials in squash roots : Plant Physiol., 126 : 1381_1390 (2001)
- Ezaki B., et al. : Different mechanisms of four aluminum (A1)-resistant transgenes for A1 toxicity in Arabidopsis :Plant Physiol., 127 : 918_927 (2001)
- Osawa H. and Matsumoto, H. : Possible involvement of protein phosphorylation in aluminum-responsive malate efflux from wheat root apex : Plant Physiol., 126 : 411_420 (2001)
- Yamamoto Y., et al. : Aluminum toxicity is associated with mitochondrial dysfunction and the production of reactive oxygen species in plant cells : Plant Physiol., 128 : 63_72 (2002)
研究のイメージ
