研究報告

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2013年08月12日
糖ペプチド−受容体シグナル伝達を介した根粒形成の遠距離制御

<背景>

マメ科植物は土壌細菌の一種である根粒菌と共生することで根にコブ状の根粒と呼ばれる器官を形成します。根粒では、宿主植物の細胞内に共生する根粒菌が窒素固定を行い宿主に窒素源を供給します。その一方で、宿主植物は光合成で得た炭素源を根粒菌との共生を維持するために消費しなければなりません。したがって根粒の過剰な形成は宿主植物の生育を妨げてしまうことになります。そのため、マメ科植物は自身の根に形成する根粒の数を制御する機構を持っています。しかもその機構は、これまでの知見から、宿主植物のシュートを介して全身的なものであることが明らかにされています。そのため、根−シュートの器官間シグナル伝達を介した根粒形成の遠距離制御モデルが提唱されています(モデル図)。このモデルでは二つの遠距離シグナル伝達因子が想定されています。一つは根粒形成の初期に根からシュートへ根粒形成を伝える根由来シグナルです。もう一つは根由来シグナルを認識したシュートがさらなる根粒形成を抑制するために根に送るシュート由来シグナルです。しかしながら、根とシュートをつなぐ遠距離シグナル伝達因子の実体はこれまで明らかにされていませんでした。

 

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我々はこれまでにマメ科モデル植物であるミヤコグサを用いて、根粒形成の遠距離制御に関わる因子としてHAR1遺伝子を単離していました。HAR1はロイシンリッチリピート型受容体キナーゼをコードしており、シュートで機能することが明らかにされています。このことからHAR1受容体は根由来の遠距離シグナルを認識する役割を持つと考えられました。また、我々は根粒菌の接種に対して根において強く発現応答し、根で過剰発現させるとHAR1依存的に根粒形成の全身的な抑制を誘導するペプチド遺伝子、CLE-RS1/2を発見していました。そのためCLE-RS1/2は根由来の遠距離シグナルの候補因子と考えられました。しかし、CLE-RS1/2遺伝子産物の活性型や根で発現するCLE-RS1/2とシュートで機能するHAR1の間の作用機構についてはこれまで明らかにされていませんでした。

 

<成果>

我々はまず、CLE-RS2遺伝子産物の成熟型が糖鎖修飾されたオリゴペプチドであることを明らかにしました(ペプチドの構造図)。成熟型CLE-RS2ペプチドは13アミノ酸で構成され、N末端側から7番目のヒドロキシプロリンに3つのアラビノースが付加されていました。この情報をもとにしてアラビノース修飾されたCLE-RS1/2ペプチドを合成してミヤコグサのシュートに添加したところ、CLE-RS1/2ペプチドは100nMの濃度で根粒形成を抑制することがわかりました。一方、糖鎖修飾されていない合成CLE-RS1/2ペプチドや糖鎖修飾されていてもアミノ酸配列の異なるCLV3ペプチドを与えた場合は根粒形成は抑制されませんでした。また、これらのペプチドによる根粒形成の抑制効果はHAR1受容体依存的でした。次に我々はCLE-RS1/2ペプチドとHAR1受容体の相互作用を調べました。その結果、糖鎖修飾された活性型CLE-RS1/2ペプチドはHAR1受容体に強く結合したのに対し、CLV3ペプチドや糖鎖修飾されていないCLE-RS1/2ペプチドはHAR1受容体に結合しませんでした。これらの結果はHAR1受容体がリガンドを厳密に認識すること示しています。また、これらの結合試験の結果は先述のミヤコグサへの添加実験の結果と一致していました。さらに我々は活性型CLE-RS2ペプチドの根からシュートへの遠距離移行能について調べました。ミヤコグサは個体サイズが小さく解析に十分な量の導管液を集めることは難しいため、我々は同じマメ科植物であるダイズを用いました。CLE-RS2のORFおよび、その上流領域(約3.2 kb)、下流領域(1.2 kb)から成るCLE-RS2ゲノム断片をダイズの根に形質転換してその植物のシュートから導管液を採取し分析したところ、成熟型CLE-RS2ペプチドが検出されました。以上の結果から我々は成熟型CLE-RS2ペプチドが根粒形成の遠距離制御における根由来の長距離シグナル伝達物質であると結論付けました。

 

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【掲載誌情報】

Nature Communications(ネイチャーコミュニケーションズ)

2013年8月12日付け掲載

論文タイトル: “Root-derived CLE glycopeptides control nodulation by direct binding to HAR1 receptor kinase”

著者: Satoru Okamoto, Hidefumi Shinohara, Tomoko Mori, Yoshikatsu Matsubayashi*, Masayoshi Kawaguchi*