生命科学研究科 生命科学専攻 金子 貴一 教授

植物共生細菌ゲノムの研究

植物共生細菌ゲノムの研究

マメ科植物と共生窒素固定の重要性

窒素成分は、農業において穀物生産の制限栄養素となります。それは、作物が土壌中の無機窒素に依存しているからです。そのため、穀物生産では窒素肥料が土壌に加えられます。しかし、窒素は高価な栄養素なので、市販の肥料の利用は穀物生産における主要なコストとなります。ところが、硝酸塩の少ない土壌で作物がマメ科植物と輪作栽培されると、施肥窒素の必要量が減り、生産性が向上することが知られています。これは、マメ科植物が枯れて分解されるときに、その残渣から窒素成分が放出され、次の作物に取り込まれるためです。マメ科植物には、油の原料となるダイズや落花生などもあるので、それ自体が高価値な作物でもあります。これらを支える重要な特性が、多くのマメ科植物にあります。それは土壌細菌である根粒菌と共生関係を成立し、大気中の窒素ガスを固定させ、マメ科植物が利用できる無機窒素を供給させる能力があることです。つまり、マメ科植物は、共生によって窒素を自給自足し、窒素肥料を減らした土壌での効率的な作物生育を可能にします。そのようにマメ科植物が窒素固定能力を高く発揮するには、良好な根粒が形成される必要があります。根粒形成が適切な状態にあれば、マメ科植物の窒素固定効率は生産性と正の相関があることも知られています。
マメ科植物の共生によって窒素固定される過程では、大量のエネルギーが必要となります。植物は光合成によりエネルギー源を生産しますが、その一部を共生している根粒菌に提供することで、窒素固定が可能になります。エネルギー源利用と窒素固定酵素の遺伝子セットは、根粒菌にあります。
根粒菌は、アルファプロテオバクテリアとベータプロテオバクテリアの12属で見つかっていて、共生できるマメ科植物に宿主特異性があります。例えばダイズでは、Bradyrhizobium 属の一部もしくはEnsifer 属の一部の根粒菌が根粒を形成させて、共生成立します。このような宿主特異性では、マメ科植物の根と土壌中の根粒菌の相互認識が、シグナル物質を使って成立します。具体的には、根粒菌が植物を認識できるフラボイド化合物の種類と、植物が根粒菌を認識できるNodファクターの種類で、宿主特異性の組み合わせが決まります。つまり、根粒菌には、特異的なフラボイド化合物を認識し、特異的なNodファクターを合成するための遺伝子セットが存在します。

「生命の設計図」を明らかにするゲノム解読

タンパク質精製装置:自動クロマトグラフィーでV型ATPaseを精製する。

私は研究所の研究員として、ゲノム解読プロジェクトに関わる機会がありました。当時のゲノム解読プロジェクトは、何人もの研究員と技術職員が参加して、1つの生物がもつゲノムの塩基配列を全て読み取って、全遺伝子情報をデータ化するというものでした。ゲノム解読とは「生命の設計図」を明らかにすることを意図していました。
その当時は、NGSのような塩基配列データ高生産技術はありませんし、ゲノム情報を扱えるコンピュータプログラムも存在しません。ですから、データ生産には、クローニングとサンガー法が使われていました。解析プログラムは、初期には分子生物学で使われる一般的なものを使っており、その後にゲノム情報に対応できるプログラムが順次取り入れられていきました。ゲノム解読に取り組まれていた生物は、植物と植物に関連した微生物でした。私は、なかでも微生物ゲノムのデータ解析に、深く関わっていました。解析対象としていた微生物は、シアノバクテリア、根粒菌、バクテリアエンドファイトです。いずれのバクテリアも大きな多様性をもつグループですから、その中でも分子生物学的研究で重要な菌株、実用面で重要な菌株などが選ばれて、全遺伝子情報をデータ化しました。それらのゲノムはいずれも特徴的であり、遺伝子情報が全てわかると、これまで行われてきた研究と照合して、それぞれ発見がありました。そのようなゲノムのデータ解析では、特徴的なパターンに注目して調べることが多いのですが、根粒菌ゲノムには、際立った特徴がありました。染色体に挿入されたDNAの水平伝播の痕跡が示されたことです。

根粒菌 DNA水平伝播

DNAの水平伝播はバクテリアの多様性を生みだす原動力で、バクテリアが新しい環境に進出したり、変化した環境で生き残ることを可能にすると考えられています。ファージやプラスミドを伝達媒介としたり、ゲノムへの挿入因子として水平伝播がおこり、異なるDNAが細胞に侵入して付加されたり、ゲノムの一部が置き換わったりします。そのため、バクテリアゲノムを調べると、異なるDNAが取り込まれていて、モザイク状のパターンになってみえることがあります。根粒菌の場合、共生に重要な遺伝子、窒素固定系とNodファクターの合成分泌系は水平伝播で獲得されています。これは、ある土壌細菌が、植物と相互作用して共生できる能力を獲得することで根粒菌となり、植物体内を生息環境とする生活環を持つようになったことを意味しています。アルファルファ根粒菌、エンドウ根粒菌などでは、それらの遺伝子がプラスミドにあることは知られていましたが、我々がゲノム解読した根粒菌では、それらの遺伝子が染色体に組み込まれていて、それらを含む領域が外来性因子の挿入を示す特徴的なパターンを示していました。染色体上のこの領域は共生アイランドと呼ばれ、integrative and conjugative elementに分類される可動性因子、またはその痕跡です。ダイズ根粒菌Bradyrhizobium diazoefficiens USDA110株の場合、共生アイランドは染色体全体の7.5%程度の大きさがあり、巨大なゲノム挿入因子でした。系統的に少し離れたダイズ根粒菌のゲノムを解読して比較すると、離れた系統間なのでゲノムの大部分は配列がある程度の一致率で違っているのですが、共生アイランドだけが極めて高い一致率の配列でした。このような巨大な単位のDNAでもバクテリア間で動いていて、ある土壌細菌が獲得すると、根粒菌に形質転換された背景が予想されます。ダイズ根粒菌ゲノムには共生アイランド以外にも、外来性因子挿入の痕跡が多くあります。そのいくつかには共生や窒素固定関連遺伝子産物のホモログが見つかっています。例えば、窒素固定反応で反応産物として出る水素を回収して窒素固定に再利用するヒドロゲナーゼは、USDA110株の共生アイランドとは別の外来性因子にコードされています。その例のように、根粒菌のまだよくわかっていない外来性因子について調べることにより、共生効果に関与する未知の因子を見つけることができると考えて、ゲノムと共生の研究を進めています。また、特定の品種や系統の宿主に共生ができない根粒菌や、Nodファクター合成遺伝子がないのに宿主に根粒形成を誘導できる根粒菌も見つかっていて、これまで知られていた相互作用とシグナル応答以外の根粒共生を制御するシステムがあることがわかってきています。それらの解明にも、ゲノムのデータを基盤とした研究展開が重要であると思います。

大学院進学を目指す学生へのメッセージ

インタビュー風景

大学院への進路決定は、人生の方向を決める重要なイベントですので、ぜひ向上心を持って進学していただきたいと思います。また、大学院での研究は、卒業研究をそのまま続けるということではありません。大学院では、研究成果を出すための方法を実践的に取り組むことになります。そのうえでは、成績が良いような賢さもある程度必要なのですが、大学生活のときよりも重要になるのは、研究に対する勤勉さと粘り強さだと思います。というのは、大学院で研究を進めていると、今までよりストレスが高い状態が様々な場面で続くことになるでしょうから、それを克服するのに必要となるからです。そのような場面では、新しいことに挑戦することが多いことも意味しています。ぜひとも、そのような状況を良い機会とし、勤勉さと粘り強さを発揮して、自分に何ができるのかを知る方法を学ぶようにしましょう。

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