持続可能な植物⽣生産の ための 膜輸送体研究の進展 ２０１４年年７⽉月１９⽇日 農学アカデミー ミニシンポジウム ⽯石川県⽴立立⼤大学⽣生物資源⼯工学研究所 ⻄西澤 直⼦子 Vol 497, 60-‐66 (2013) 構成 膜輸送体とストレス耐性・収量量 アルミニウム酸性⼟土壌耐性作物 HKT膜輸送体と塩類耐性 糖輸送体と耐病性 ヒトの健康と植物栄養 鉄と亜鉛含量量の増加 リン酸の利利⽤用効率率率向上 硝酸の感知と輸送 将来展望 女性と子供における鉄欠乏の割合� ( % 鉄欠乏の人口 / 全人口 ) 東南・南アジア 中央アジア アフリカ 東南・南アジア 中央アジア アフリカ 北アメリカ ラテンアメリカ ラテンアメリカ 北アメリカ 日本 日本 (Report of the 2003 International Nutritional Anemia Consultative Group Symposium. ) ( 内田立身 ハイパー臨床内科[血液・造血器疾患] 中山書店) 鉄の追加摂取が必要 NAS Transport Fe2+-NA OsYSL2 transporter S-adenosyl-methionine ENA1 Fe 22++ Nicotianamine (NA) OsYSL15 NAAT DMAS Fe 32++ OsIRT1 Fe 2+ TOM1 Fe3+-DMA Deoxymugineic Acid (DMA) (phytosiderophore) Fe 32++ Fe3+ with low solubility at neutral pH soil Fe2+ in anaerobic paddy field 高鉄米の作出 白米中鉄濃度 白米のベルリンブルー鉄染色 野生型 野生型 高鉄米 高鉄米 9 カドミウムの吸収と蓄積の分⼦子機構解明 単離離した遺伝⼦子, 変異異体 CDR1, cdr2, cdr4 カドミウム耐性 PEZ1, PEZ2, OsHMA2, LCD カドミウム移行 OsNRAMP1, カドミウム吸収 OsNRAMP5, OsIRT1, OsIRT2 膜輸送体 OsNRAMP5 OsNRAMP5 はイネの根に発現 OsNRAMP5 は Cdを輸送する 0 µM 5 µM 10 µM NRAMP5 VC Cd (Δycf1, SD, 3 deys) OsNRAMP5 発現抑制イネのFeとCd濃度 12 0 (µg/g) Cd 40 10 0 Shoot Cd con. (µg/g) 茎葉 Shoot Fe con. (µg/g) Fe 80 60 40 20 0 WT 5i-1 5i-2 ox1 ox2 WT RNAi 月の光 1.0 0.5 0 WT WT 5i-1RNAi 5i-2 ox1 ox2 a a 30 20 b b b 10 0 (µg/g) 80 0 Root Cd con. (µg/g) Root Fe con. (mg/g) 1.5 (mg/g) 根 (µg/g) WT 5i-1RNAi WT 5i-2 ox1 b ab ox2 ab a 60 0 a 40 0 20 0 0 WT RNAi WT 5i-1 5i-2 ox1 ox2 コメ中 Cd の低減技術 Cd 吸収の抑制 ⼟土壌からの Cd 除去 堪⽔水条件 客⼟土 Cd Cd Cd Cd Cd 植物による浄化 5 土壌浄化用イネの開発 Anjana Dahn-‐OsNRAMP5 RNAi カドミウム濃度 Shoot Cd content (µg/plant) カドミウム含量 80 a ab 70 60 b b 50 40 30 20 c 10 0 WT Ai-1 Ai-2 Ai-3 Ai-4 (10 µM Cd, 2 weeks) Ishimaru et al., Sci Rep 20126 日本晴 130 cm 180 cm たちすがた 土壌Cd濃度 = 0.43 mg/kg (0.1 M 塩酸抽出) 隔離圃場試験の実施（韓国） 100 cm Anjana Dhan Anjana Dhan-OsNRAMP5i 地上部のCd濃度 * 圃場検定 Cd濃度 (ng/g) * A5i3はWTの2.08倍のCd濃度 (ng/g) Takahashi et al., PLos One 2014 コメのカドミウム低減技術 客⼟土による⼟土壌の⼊入れ替え（⼟土壌浄化） Cd吸収を抑制する湛⽔水管理理 客土対象土壌（玄米1ppm以上） 対策指定地域：6428ha 対策事業完了了地域：5424ha 未指定地域：176ha 客⼟土のコスト：300万〜～ 500万円/10a 出穂前後3週間の 湛⽔水管理理 CdS CdS CdS CdS ⽇日本全国4万ha強 で実施 カドミウム吸収の少ないイネ品種の開発が必要 9 低カドミウムコシヒカリの作出 ⽞玄⽶米のCd分析 イオンビーム照射 M1植物 M2種子 （約3,000個体を栽培） 各個体から玄米の収穫 Cd 汚染土壌で栽培 低カドミウムコシヒカリ変異体の選抜 基準値 (0.4 mg kg-‐1) 600 コシヒカリ Frequency 500 400 300 200 100 0 〜 〜 lcd-‐kmt1 lcd-‐kmt2 lcd-‐kmt3 0.05 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 3 3.25 3.5 3.75 4 種子中カドミウム濃度 (mg kg-‐1) lcd-‐kmt: low cadmium koshihikari mutant 高カドミウム圃場で栽培したイネカドミウム濃度 稲わら 玄米 2 12 10 Cd (mg kg-‐1) 1.5 Cd (mg kg-‐1) WT 1 0.5 lcd-‐kmt1 8 6 4 ML 2 ND 0.02 0.03 0 0.04 0.04 0.09 0 Field A A LocaTon Field B B LocaTon Field C C LocaTon Field A A LocaTon Field B B LocaTon Field C C LocaTon Soil Cd conc. (0.1 M HCl) 早期落水による栽培 • コシヒカリの玄米Cd濃度が基準値大幅に超過する土壌で栽培しても、 -‐1 LocaTon A: 1.35 mg kg • 低Cdコシヒカリの濃度は定量限界値近くで極めて低い LocaTon B: 1.21 mg kg-‐1 • 低Cdコシヒカリは、稲わらCd濃度も極めて低い LocaTon C: 0.35 mg kg-‐1 低カドミウムコシヒカリの生育、収量、食味 lcd-‐kmt1 kmt1 Grain yield (t ha-‐1) SPAD value 40 30 20 10 0 WT lcd-‐kmt1 WT WT kmt2 kmt3 kmt1 100 6 EaTng quality (Score value) WT 4 2 0 WT lcd-‐kmt1 80 60 40 20 0 WT lcd-‐kmt1 13 OsNRAMP5-m 低カドミウムコシヒカリの原因 lcd-‐‑‒kmt1~∼3はいずれもOsNRAMP5の変異異 OsNRAMP5のゲノム構造 exon IX lcd-‐‑‒kmt2 (1bpの⽋欠損） exon X lcd-‐‑‒kmt1 (433bpの挿⼊入） lcd-‐‑‒kmt3 (277kbpの⽋欠損） 15 変異による金属輸送活性の消失 酵母変異株 ycf1 smf1 fet3fet4 -Cd +Mn +Fe +Cd -Mn -Fe VC OsNRAMP5 mutant VC OsNRAMP5 mutant 培養三日目 低CdコシヒカリのCd吸収抑制機構 コシヒカリ 地上部へ 低カドミウムコシヒカリ （lcd-‐‑‒kmt1） 根細胞 地上部へ 根細胞 根 導管 導管 カドミウム（Cd) カドミウムを根に取り込む機能型のOsNRAMP5トランスポーター イオンビーム照射によってカドミウム吸収機能が失われたosnramp5-‐‑‒1トランスポーター 17 DNAマーカーの開発 FspI digestion No digestion M M LK1 WT F1 kb kbs 0.7 1.5 1.2 1.0 0.5 0.3 LK2 WT F1 LK2 WT 0.5 0.4 0.2 M: Size marker LK1: lcd-‐kmt1 WT: Koshihikari F1: WT x lcd-‐kmt1 M: Size marker LK2: lcd-‐kmt2 WT: Koshihikari F1: WT x lcd-‐kmt2 F1 ブランド品種への低Cd遺伝⼦子の導⼊入 低Cdコシヒカリ X X F1 低Cd遺伝⼦子上 のマーカーX × 交配 品種A マーカー A B A B C D E C D E X A B 低CdのマーカーXを持ち、 品種Aのマーカーをより多 く持つ個体を選抜する C D E × 戻し交配 品種A A B A B C D E C D E A B X C D E 低Cd遺伝⼦子 A B C D E マーカー選抜によって、品種A に低Cd遺伝⼦子を導⼊入し、品種A を低Cd品種に変える 19 コメのカドミウム低減技術 イネ膜輸送体OsNRAMP5 の発現抑制、または 機能喪失によりコメのカドミウムを低減できる 2 WT lcd-‐kmt1 Grain Cd (mg kg-‐1) 1.5 1 0.5 ML ND 0.02 0.03 0 Field A A LocaTon Field B B LocaTon Field C C LocaTon Shoot Cd content (µg/plant) lcd-‐kmt1 OsNRAMP5i 80 a ab 70 60 b b 50 40 30 20 c 10 0 WT Ai-1 Ai-2 Ai-3 Ai-4 20
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