理研、低窒素濃度環境下で植物の窒素吸収を担うタンパク質を確認

　

　理化学研究所(理研)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たと発表した。理研植物科学研究センター生産機能研究グループの榊原均グループディレクターらと、英ジョンイネスセンター、仏国立農学研究所との共同研究によるもので、成果は米科学雑誌「The Plant Cell」オンライン版に近日掲載予定。

　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るが、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っている。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、食料価格の上昇などの経済問題も引き起こしているのが現状だ。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る。

　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する仕組みを持つ。

　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の働きが必要となる。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つの遺伝子が存在するが、この内のNRT2.1とNRT2.2は主根(最初に発生する根のこと)の「皮層細胞」(外界と接する表皮細胞の1つ内側の細胞)で発現し、硝酸イオンの吸収を担っていることが判明済みだ。しかし、ほかのタンパク質については解析が進んでおらず、特に土と直に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だった。

　研究グループは、シロイヌナズナの硝酸イオン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に注目して研究をスタート。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(ある遺伝子を発現させる機能を持つ塩基配列)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た。その結果、GFPの蛍光を側根(主根から分岐する根のこと)で検出(画像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の発現を確認したのである(画像1C・D)。

　画像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(主根と側根の位置は三角印で示されている)。(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)を検出したもの。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ことが分かる。(C)側根の拡大写真(表皮細胞は矢印で示されている)。(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ことが分かる

　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査を行った結果、土と接する側の細胞膜に偏って分布することが判明したのである(画像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形で配置されていることが明らかとなった。

　画像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もの。(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、細胞膜の内で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

　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。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が、超低濃度硝酸イオンの環境下(0.025mM)での吸収能が半減(53%減)することが判明した(画像3)。これらのことから、NRT2.4が輸送タンパク質の中で、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わかったのである。

　画像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わかる

　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が明らかになったが、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ると研究グループではコメントしている。