60 秒 でわかるプレスリリース 2007 年 8 月 21 日 独 立 行 政 法 人 理 化 学 研 究 所 土 壌 中 のアンモニア 態 窒 素 を 吸 収 する 輸 送 体 の 役 割 を 解 明 - アンモニア 態 窒 素 の 吸 収 とバイオマス 生 産 の 関 係 が 明 らかに - 窒 素 リン 酸 カリウム は 作 物 の 3 大 栄 養 素 として 知 られています この 栄 養 素 が 欠 けると 稲 コムギなどの 作 物 も 美 しいランなどの 観 賞 用 植 物 も 豊 かに 育 ちません これらの 栄 養 素 は いずれも 植 物 の 根 から 吸 収 されますが そのメカニ ズムの 詳 細 はナゾのままです 理 研 植 物 科 学 研 究 センターの 基 礎 代 謝 研 究 チームは 独 ホーヘンハイム 大 学 と 共 同 で 植 物 が 窒 素 源 として 土 壌 中 の アンモニア 態 窒 素 を 細 胞 内 へ 吸 収 するときに 働 くアンモ ニウム 輸 送 体 の 役 割 を 明 らかにしました アンモニア 態 窒 素 は 土 壌 中 にある 動 植 物 の 遺 骸 や 排 泄 物 に 含 まれるタンパク 質 や 尿 酸 尿 素 などを 微 生 物 が 分 解 して 作 り 出 す 窒 素 源 です 植 物 の 根 では AMT1 型 アンモニウム 輸 送 体 がアンモニウムイオンを 選 択 的 に 細 胞 内 へ 通 過 させています 特 に 窒 素 肥 料 が 不 足 したときに AMT1 型 アンモニウム 輸 送 体 がその 能 力 を 発 揮 します 研 究 チームは シロイヌナズナのノックアウト 植 物 を 使 って 4 種 類 の AMT1 型 アンモニウム 輸 送 体 の 機 能 を 明 らかにし そのうちの 3 種 類 がアンモニア 態 窒 素 の 吸 収 に 重 要 であることなどを 解 明 しました 作 物 の 窒 素 利 用 効 率 を 高 める 技 術 開 発 に 貢 献 するとともに 作 物 が 吸 収 しきれない 過 剰 な 栄 養 素 が 田 畑 から 流 れ 出 し 環 境 に 悪 影 響 を 与 える 問 題 の 改 善 にも 役 立 てる 成 果 と 注 目 されます ( 図 ) シロイヌナズナの 根 の 縦 断 面 (アンモニウムイオンの 輸 送 の 模 式 図 )
報 道 発 表 資 料 2007 年 8 月 21 日 独 立 行 政 法 人 理 化 学 研 究 所 土 壌 中 のアンモニア 態 窒 素 を 吸 収 する 輸 送 体 の 役 割 を 解 明 - アンモニア 態 窒 素 の 吸 収 とバイオマス 生 産 の 関 係 が 明 らかに - ポイント 3 種 の AMT1 型 アンモニウム 輸 送 体 がアンモニア 態 窒 素 の 吸 収 の 90%を 担 当 作 物 の 窒 素 利 用 効 率 の 改 良 など 生 産 性 を 高 める 道 を 拓 く 窒 素 肥 料 による 富 栄 養 化 問 題 の 解 決 に 期 待 独 立 行 政 法 人 理 化 学 研 究 所 ( 野 依 良 治 理 事 長 )は アンモニア 態 窒 素 の 吸 収 に 働 く AMT1 型 アンモニウム 輸 送 体 の 植 物 における 役 割 を 明 らかにしました 理 研 植 物 科 学 研 究 センター( 篠 崎 一 雄 センター 長 ) 基 礎 代 謝 研 究 チームの 高 橋 秀 樹 チームリーダー とドイツ ホーヘンハイム 大 学 の Nicolaus von Wirén(ニコラス フォン ヴィー レン) 教 授 との 共 同 研 究 の 成 果 です 窒 素 (N)は リン(P) カリウム(K)とならぶ 植 物 の 生 育 に 欠 かせない 肥 料 の 3 大 要 素 です 植 物 は 窒 素 源 として 土 壌 に 含 まれるアンモニア 態 窒 素 と 硝 酸 態 窒 素 を 利 用 します アンモニア 態 窒 素 は 動 植 物 の 遺 骸 や 排 泄 物 などに 由 来 するタンパク 質 アミノ 酸 尿 酸 尿 素 などの 有 機 窒 素 が 土 壌 中 の 微 生 物 により 分 解 され 生 成 されます 硝 酸 態 窒 素 は アンモニアが 微 生 物 によりさらに 酸 化 され 生 じます 植 物 は 土 壌 に 含 まれるこのアンモニア 態 窒 素 を 根 から 吸 収 しますが その 際 ア ンモニウム 輸 送 体 というタンパク 質 が 働 きます 植 物 の AMT1 型 アンモニウム 輸 送 体 は 細 胞 膜 に 存 在 するタンパク 質 で アンモニウムイオンを 選 択 的 に 通 過 させる 機 能 を 持 っています AMT1 型 アンモニウム 輸 送 体 は 低 濃 度 のアンモニウムイオンを 効 率 よく 細 胞 内 へ 取 り 込 むことができる 高 親 和 型 の 輸 送 体 であり 特 に 窒 素 肥 料 が 不 足 したときに 根 で 発 現 し 輸 送 体 として 能 力 を 発 揮 します 今 回 の 研 究 では シロイ ヌナズナのノックアウト 植 物 を 用 いて 根 でアンモニア 態 窒 素 の 吸 収 を 担 当 する 4 種 の AMT1 型 アンモニウム 輸 送 体 の 機 能 をすべて 明 らかにしました また これらの 輸 送 体 のうち AMT1;1 AMT1;2 AMT1;3 の 3 種 によるアンモニア 態 窒 素 の 吸 収 が 植 物 バイオマスの 生 産 に 重 要 であることがわかりました 窒 素 肥 料 は 作 物 の 生 産 性 を 向 上 させるうえで 不 可 欠 です 一 方 窒 素 肥 料 の 流 出 による 富 栄 養 化 が 環 境 問 題 としてクローズアップされています 今 回 のアンモニウム 輸 送 体 に 関 する 研 究 成 果 は 作 物 の 窒 素 利 用 効 率 を 高 める 技 術 への 応 用 に 役 立 つこと が 期 待 されます 本 研 究 成 果 は 米 国 の 科 学 雑 誌 The Plant Cell ( 8 月 号 )に 掲 載 されます 1. 背 景 窒 素 (N)は リン(P) カリウム(K)とならぶ 農 業 作 物 をはじめとする 植 物 の 生 育 に 欠 かすことができない 3 大 肥 料 のひとつです 土 壌 にはアンモニア 態 窒 素 と 硝 酸 態 窒 素 が 存 在 します アンモニア 態 窒 素 は 動 植 物 の 遺 骸 や 排 泄 物 などに 由 来 する
タンパク 質 アミノ 酸 尿 酸 尿 素 などに 含 まれる 有 機 窒 素 が 土 壌 中 の 微 生 物 に より 分 解 され 生 成 されます 一 方 硝 酸 態 窒 素 は アンモニアが 微 生 物 によりさら に 酸 化 されることで 生 じます 植 物 は こうして 生 じたこれらの 無 機 窒 素 を 窒 素 源 として 利 用 します その 際 アンモニウムイオンや 硝 酸 イオンをそれぞれ 選 択 的 に 通 過 させるイオン 輸 送 体 タンパク 質 が 細 胞 膜 で 機 能 します 植 物 のゲノム 上 には 数 百 個 のイオン 輸 送 体 タンパク 質 が 存 在 します それらは 各 栄 養 素 の 吸 収 を 選 択 的 に 行 うために 備 わっていますが しばしば 同 じ(あるい は 類 似 した) 機 能 を 持 つ 輸 送 体 タンパク 質 が 複 数 個 存 在 することがあります 特 に 植 物 のように 高 度 に 進 化 した 多 細 胞 の 集 合 体 では 基 本 的 な 機 能 が 同 じであったと しても 透 過 するイオンへの 親 和 性 や 発 現 場 所 が 異 なる 複 数 の 輸 送 体 が 必 要 である と 考 えられます アンモニア 態 窒 素 の 吸 収 や 輸 送 についても 例 外 ではなく シロイ ヌナズナには 5 種 類 の AMT1 型 アンモニウム 輸 送 体 が 存 在 します しかし それ ぞれの 輸 送 体 タンパク 質 の 機 能 がどの 組 織 細 胞 栽 培 条 件 で 重 複 または 独 立 して 働 くのか その 詳 細 は 明 らかではありませんでした 2. 研 究 手 法 と 成 果 理 研 の 基 礎 代 謝 研 究 チームは ドイツ ホーヘンハイム 大 学 のNicolaus von Wirén 教 授 の 研 究 グループとの 共 同 研 究 を 展 開 し シロイヌナズナの 根 でアンモニ ア 態 窒 素 の 吸 収 に 働 くAMT1 型 アンモニウム 輸 送 体 AMT1;1 AMT1;2 AMT1;3 AMT1;5 の 4 種 の 機 能 と 発 現 場 所 を 全 て 明 らかにしました これら 4 種 の 輸 送 体 が 根 の 表 皮 皮 層 内 皮 の 3 つの 細 胞 層 で 発 現 し( 図 1) アンモニア 態 窒 素 の 吸 収 活 性 をもっていることをシロイヌナズナのノックアウト 植 物 を 用 いて 証 明 しました 具 体 的 には シロイヌナズナのAMT1 型 アンモニウム 輸 送 体 のノックアウト 植 物 を 単 離 し アンモニウム 吸 収 機 能 や 植 物 バイオマスへの 影 響 を 調 べました また AMT1 遺 伝 子 とクラゲの 緑 色 蛍 光 タンパク 質 (GFP)との 融 合 遺 伝 子 を 発 現 させた 植 物 を 観 察 することにより それぞれの 輸 送 体 が 発 現 する 場 所 を 明 らかにしました 植 物 の 根 では 水 平 方 向 のイオンの 移 動 が 内 皮 細 胞 に 接 着 するカスパリー 線 1 に より 妨 げられています( 図 1) この 機 能 によって 内 皮 細 胞 およびその 外 側 の 皮 層 や 表 皮 細 胞 に 吸 収 された 栄 養 素 は 内 皮 細 胞 の 中 を 通 って 中 心 柱 2 の 内 鞘 細 胞 に 到 達 し 道 管 をつたって 地 上 部 へ 運 ばれます また アンモニウムイオンの 場 合 一 部 は 根 の 維 管 束 細 胞 でグルタミンなどのアミノ 酸 へ 代 謝 されてから 地 上 部 へ 輸 送 されると 考 えられています 研 究 チームでは これまで AMT1;1 が 根 毛 と 根 の 表 皮 AMT1;3 が 根 毛 と 根 の 表 皮 および 皮 層 で 発 現 することを 明 らかにしてきました 今 回 の 研 究 では さらに AMT1;2 とAMT1;5 について 解 析 を 進 め AMT1;2 が 根 の 皮 層 と 内 皮 AMT1;5 が 根 毛 と 根 の 表 皮 で 発 現 するアンモニウム 輸 送 体 であることをつきとめました 今 回 の 研 究 では 植 物 の 根 におけるアンモニウムイオンの 輸 送 過 程 を 詳 細 に 調 べ るために シロイヌナズナのAMT1 型 アンモニウム 輸 送 体 AMT1;1 AMT1;2 AMT1;3 とAMT2 型 アンモニウム 輸 送 体 AMT2;1 のノックアウト 植 物 を 単 離 し そ れらをすべて 欠 損 する 4 重 変 異 体 を 作 製 しました その 結 果 4 重 変 異 体 では 野 生 型 植 物 と 比 較 して 地 上 部 のバイオマス 量 が 50% 総 窒 素 量 が 70%と 著 しく 減 少 し ました 4 重 変 異 体 の 生 育 は AMT1;1 AMT1;2 AMT1;3 のいずれかを 戻 した 3
重 変 異 体 で 回 復 しますが AMT2;1 では この 回 復 機 能 は 表 れませんでした 以 上 の 結 果 から 根 毛 と 根 の 表 皮 皮 層 内 皮 のいずれかの 細 胞 層 で 機 能 するAMT1 型 アンモニウム 輸 送 体 のうちAMT1;1 AMT1;2 AMT1;3 の 3 種 類 がアンモニア 態 窒 素 の 吸 収 に 重 要 な 役 割 を 果 たすことが 明 らかとなりました さらに 3 重 変 異 体 と 4 重 変 異 体 を 比 較 することにより AMT1;1 AMT1;2 AMT1;3 のアンモニウ ム 輸 送 活 性 が 異 なり それぞれの 輸 送 体 が 存 在 する 細 胞 の 周 囲 のアンモニウム 濃 度 に 適 合 した 性 質 を 備 えていることがわかりました すなわち 内 皮 や 皮 層 で 働 く AMT1;2 と 比 較 して 土 壌 に 接 する 表 皮 細 胞 で 働 くAMT1;1 とAMT1;3 は より 低 い 濃 度 のアンモニウムイオンを 吸 収 できる 能 力 を 備 えていました また 今 回 の 研 究 では シロイヌナズナの 根 の 総 アンモニウム 吸 収 活 性 の 約 90% がAMT1;1 AMT1;2 AMT1;3 によって 担 われていることが 明 らかとなりました 4 重 変 異 体 の 地 上 部 のバイオマス 量 や 総 窒 素 量 の 減 少 は これらの 3 種 の 輸 送 体 が 欠 損 することによりアンモニア 態 窒 素 を 吸 収 できなくなったことが 原 因 と 考 えら れます 4 重 変 異 体 には 野 生 型 植 物 の 約 10%のアンモニウム 吸 収 活 性 が 残 存 して いましたが この 活 性 は 窒 素 欠 乏 処 理 した 植 物 でのみ 検 出 され 非 常 に 低 い 濃 度 の アンモニウムイオン( 数 マイクロmol/L)を 吸 収 することができる 輸 送 体 の 活 性 に 由 来 すると 考 えられます AMT1;5 のノックアウト 植 物 を 用 いた 証 明 は 今 後 の 検 討 課 題 ですが この 10%の 残 存 活 性 は 根 毛 および 根 の 表 皮 細 胞 で 発 現 するAMT1;5 に 由 来 するものと 推 定 されます 3. 今 後 の 期 待 窒 素 肥 料 は 植 物 のバイオマス 量 を 増 大 させる 重 要 な 因 子 であり 作 物 の 収 量 を 左 右 します 少 ない 窒 素 肥 料 で 安 定 した 収 穫 を 得 ること すなわち 窒 素 利 用 効 率 の 向 上 は 農 業 の 経 済 性 だけでなく 窒 素 肥 料 の 流 出 による 環 境 負 荷 を 減 らすための 重 要 な 方 策 です 今 後 は 農 業 作 物 でのアンモニウム 輸 送 体 の 機 能 の 改 変 輸 送 体 の 発 現 を 制 御 する 因 子 の 解 明 アンモニア 態 窒 素 の 利 用 に 関 する 作 物 の 形 質 評 価 など が 研 究 成 果 の 応 用 へ 向 けた 重 要 な 研 究 課 題 になると 考 えられます ( 問 い 合 わせ 先 ) 独 立 行 政 法 人 理 化 学 研 究 所 植 物 科 学 研 究 センター 基 礎 代 謝 研 究 チーム チームリーダー 高 橋 秀 樹 Tel : 045-503-9577 / Fax : 045-503-9650 横 浜 研 究 推 進 部 企 画 課 Tel : 045-503-9117 / Fax : 045-503-9113 ( 報 道 担 当 ) 独 立 行 政 法 人 理 化 学 研 究 所 広 報 室 報 道 担 当 Tel : 048-467-9272 / Fax : 048-462-4715 Mail : koho@riken.jp
< 補 足 説 明 > 1 カスパリー 線 植 物 は 内 皮 細 胞 が 相 互 に 接 する 細 胞 壁 にスベリン( 脂 質 の 重 合 体 )を 蓄 積 する この 脂 質 の 層 をカスパリー 線 (Casparian strip)といい 内 皮 細 胞 の 外 から 道 管 な どの 維 管 束 系 のある 中 心 柱 への 水 や 栄 養 分 の 移 動 を 遮 断 する 隔 壁 となる 2 中 心 柱 植 物 の 根 の 中 心 部 分 の 組 織 で 道 管 師 管 などの 維 管 束 系 が 存 在 し 水 や 栄 養 分 の 移 動 に 重 要 な 役 割 を 果 たす 皮 層 と 中 心 柱 の 間 には 内 皮 細 胞 があり カスパリー 線 により 水 や 栄 養 分 の 移 動 が 遮 断 されている 図 1 シロイヌナズナの 根 の 縦 断 面 -アンモニウムイオンの 輸 送 の 模 式 図 土 壌 に 含 まれるアンモニウムイオン(NH4 + )は 根 毛 および 表 皮 細 胞 でAMT1;1 AMT1;3 AMT1;5 の 働 きにより 吸 収 される 表 皮 細 胞 から 内 皮 細 胞 までは 細 胞 間 隙 ( 細 胞 壁 の 中 )を 通 る アポプラスト 経 路 (apoplastic pathway) と アンモニ ウム 輸 送 体 および 細 胞 間 の 原 形 質 連 絡 を 通 る シンプラスト 経 路 (symplastic pathway) を 経 由 してアンモニウムイオンが 移 動 する アポプラスト 経 路 で 表 皮 細 胞 を 通 過 したアンモニウムイオンは AMT1;2 とAMT1;3 により 皮 層 細 胞 へ 取 り 込 ま
れる さらに 皮 層 細 胞 を 通 過 したアンモニウムイオンは AMT1;2 により 内 皮 細 胞 へ 取 り 込 まれる 内 皮 細 胞 は 水 やイオンの 透 過 を 妨 げるカスパリー 線 により 接 着 されて いるため アンモニウムイオンはシンプラスト 経 路 で 内 皮 細 胞 の 中 を 通 って 中 心 柱 の 内 鞘 細 胞 へ 移 動 すると 考 えられる 道 管 へアンモニウムイオンを 輸 送 するタンパク 質 については 現 時 点 では 明 らかにされていない