東京農工大学学術機関リポジトリ Title Author(s) イネのヨウ素吸収・移行過程におけるヨウ素の化学形態変化と輸送関連遺伝子に関する研究 Studies on changes of chemical forms of iodine and genes related to iodine uptake and translocation in rice (Oryza sativa L.) plants 加藤, 翔太 Citation Issue Date 2014-09-17 URL http://hdl.handle.net/10636/496 Type Thesis or Dissertation Textversion none 学位論文要旨イネのヨウ素吸収・移行過程におけるヨウ素の化学形態変化と輸送関連遺伝子に関する研究 Studies on changes of chemical forms of iodine and genes related to iodine uptake and translocation in rice (Oryza sativa L.) plants 生物生産科学専攻加藤植物生産科学大講座翔太ヨウ素は脊椎動物の甲状腺ホルモンを構成する元素であり、人間の必須元素の一つである。しかしながら、世界人口の 28.5%(18 億 8100 万人 )がヨウ素欠乏状態である。人間のヨウ素欠乏対策として、作物のヨウ素を富化することは有効な手段の一つである。しかし、高等植物に対するヨウ素の必須性が認められていないこともあり、植物のヨウ素吸収・移行のメカニズムは明らかになっていない。本研究ではイネの根周辺および植物体内におけるヨウ素の化学形態変化から、イネにおけるヨウ素吸収・移行のメカニズムについて生理学的解析を行った。さらに、イネのヨウ素吸収・輸送に関わるトランスポーター遺伝子の単離同定を目指して逆遺伝学的な検討を行った。 1. イネ根による IO3-還元活性の解析水耕栽培したイネ (日本晴または五百万石 )の切断根を I- または IO3- 溶液 (0.025 および 0.25 µmol L-1)に 0(5 分以内 )、 1、 3 時間浸漬し、溶液の I-および IO3-濃度を分析した。 I-溶液に切断根を浸漬しても、 3 時間後も溶液の I-濃度は変化しなかった。一方、切断根を浸漬した IO3-溶液では I-が検出された。溶液の IO3-濃度は時間の経過に伴い減少し、 3 時間後には添加した IO3-のほぼ全量が I-に還元された。このことから、イネ根が溶液中の IO3-を I-に還元する生理作用を有していることが明らかになった。栽培中の IO3-処理濃度 (0~100 µmol L-1)に応じて、切断根の IO3-還元活性 (根 1g が 1 時間に IO3-を還元して生成する I-量 )は増加し、活性は無処理区に比べ日本晴 (ヨウ素過剰耐性弱 )で最大 2.8 倍、五百万石 (過剰耐性強 )で最大 1.6 倍に増加した。また、I-処理 (0~25 µmol L-1)に対しても IO3-還元活性は日本晴と五百万石ともに処理濃度に応じて増加した。日本晴の根の IO3-還元活性は I-および IO3-処理濃度の増加に応じて増加したのに対し、五百万石の活性は 2.5 µmol L-1 以上の I-および IO3-処理で飽和した。ヨウ素過剰耐性弱 (強 )では根の IO3還元活性は高い (低い )という対応関係が認められたことから、根の IO3-還元活性の違いが、ヨウ素過剰耐性の品種間差の要因であることが示唆された。 2. イネ植物体におけるヨウ素移行形態の解析 5 週間水耕栽培した日本晴と五百万石に IO3- (0.25, 25, 250 µmol L-1)または I(0.025, 2.5, 25 µmol L-1)を 24 時間 (短時間 )処理および一週間 (長時間 )処理した。 I-または IO3-処理後、導管液を採取し全ヨウ素と I-および IO3-を分別定量した。 IO3-処理した日本晴および五百万石の導管液 (短時間・長時間処理 )から I-と IO3-が検出された。導管液全ヨウ素濃度に対する IO3-濃度の割合は、短時間処理で 13~66%、長時間処理で 55~76%であった。 IO3-処理濃度の増加に応じて根の I O 3 - 還元活性が増加すると、導管液の I - 濃度 ( 全ヨウ素濃度の 1 2 ~ 2 3 % ) も増加するという対応関係が認められたことから、イネは水耕液中で IO3-から還元された I-を吸収していると考えられた。 I-長時間処理では導管液全ヨウ素濃度に対する I-の割合は 35~95%であった。また、I - 0 . 0 2 5 および 0 . 2 5 µ m o l L - 1 処理では日本晴と五百万石の導管液から I O 3 が検出された (全ヨウ素濃度の 3~24%)。 I-短時間処理でも、日本晴 (0.025, 0.25 µmol L-1 処理 )と五百万石 (0.025 µmol L-1 処理 )の導管液から、 IO3- (全ヨウ素濃度の 8~ 15% )が検出されたことから、I- から IO 3 - への酸化はイネ根で速やかに起こると考えられた。イネ切断根を I-溶液に浸漬しても、溶液から IO3-は検出されなかったことから、 I-は吸収後に根の内部で IO3-に酸化されると思われる。 3. ヨウ素の吸収・輸送に関わるトランスポーター遺伝子の探索と機能解析 I - トランスポーターである N I S ( マウスやヒト ) や、電気生理学解析では I - も輸送するシロイヌナズナの硝酸トランスポーター AtCLCa と相同性を有するイネの遺伝子を BLAST 解析で探索した。また、 I-または IO3-処理によって発現が増加するイネの遺伝子をマイクロアレイや半定量 RT- P C R 解析で探索した。その結果、 I- および IO3- トランスポーター候補遺伝子として CLC family から AK101523、硝酸トランスポーター関連から AK067178、 AK121279、 AK065840、発現解析の結果から AK108161 が挙がった。上述の候補遺伝子のうち A K 1 2 1 2 7 9 、A K 0 6 5 8 4 0 および A K 1 0 8 1 6 1 を C a M V 3 5 S プロモーターで過剰発現させたシロイヌナズナを作製した。 I- (0.01, 0.1 mmol L - 1 ) 処理した A K 1 2 1 2 7 9 過剰発現体 ( T 2 世代 ) の地上部・地下部の新鮮重と全ヨウ素濃度は対照の植物 (Col-0)と同程度であった。一方で、 AK065840 過剰発現体では、 0.01 と 0.1 mmol L-1 処理区ともに植物体の全ヨウ素濃度は対照と同程度であったにも関わらず、対照よりも強く生育が抑制されたことから、AK065840 は細胞内の I-の局在に関与する遺伝子である可能性が考えられた。また、 0.01 mmol L-1 処理した AK108161 過剰発現体では、植物体の生育は対照と同等であったが、根のヨウ素濃度は対照よりも 1 .6 倍高くなったことから、AK 108 161 が根における I-の吸収・輸送に関わる遺伝子である可能性が示された。