Structural insight into the regulation of genes controlling the legume nodule for improving agricultural traits in crops

控制豆科植物根瘤基因调控以改善作物农业性状的结构洞察

基本信息

批准号：
22K14824
负责人：
野崎翔平
金额：
$ 3万
依托单位：
University of Tsukuba
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

根粒菌と共生窒素固定を行うマメ科植物は、窒素栄養が豊富な土壌にて根粒共生を自ら抑える機構をもつが故に、農業上において望ましい “根粒共生と窒素肥料による窒素栄養の獲得の両立” が困難となっている。本研究では、栄養豊富な土壌環境下でも根粒共生できるマメ科植物の開発を見据え、鍵転写因子群が司る根粒形成遺伝子スイッチング機構を物理化学的な側面から解明することに取り組む。本研究での成果は、植物-微生物共生の研究分野に新規軸を打ち出すとともに、ダイズなどの農業上重要なマメ科植物の中で眠る潜在能力を最大限に引き出すための基盤知見にもなると期待される。初年度となる2022年度においては、根粒形成を促進する転写因子NINとそのホモログであり硝酸に応答するのみならず根粒形成を抑制する転写因子NLPの間においてDNA結合特異性および遺伝子制御の違いを生み出すアミノ酸配列モチーフを同定した。さらに、それら転写因子群のDNA結合特異性および遺伝子制御特異性を逆転させるキメラ転写因子群の作出にも成功した。またAlphaFold2による予測構造より、そのアミノ酸配列モチーフがどのような物理化学的なメカニズムでNINとNLPの異なるDNA結合特異性を生み出すのかを考察し、実際に生化学的解析でその妥当性を示した。さらには、上記の過程でデザインしたキメラ転写因子を用いることで、窒素栄養が豊富な条件下でも根粒を形成できるミヤコグサ（マメ科植物のモデル生物）の創出にも着手し始めている。さらに、構造解析に適したコンストラクトを作成し、その精製法を確立したことで、当該転写因子群と標的DNAの複合体構造を実験的に明らかにするための基盤を構築した。

豆科植物与根瘤菌进行共生固氮，在富含氮养分的土壤中具有自身抑制根瘤共生的机制，因此农业希望同时实现共生共生，但通过氮肥获取氮养分变得困难。。在这项研究中，我们将从物理化学角度阐明关键转录因子控制的结瘤基因开关机制，着眼于开发即使在营养丰富的土壤环境中也能在根瘤中共存的豆类植物。这项研究的结果预计将为植物-微生物共生研究领域开辟一个新的轴，并为最大限度地发挥大豆等农业重要豆类的潜在潜力提供基础知识。在2022财年，即第一年，我们将研究促进结节形成的转录因子NIN与其同源转录因子NLP（不仅对硝酸盐有反应而且抑制结节形成）之间DNA结合特异性和基因调控的差异鉴定了所得的氨基酸序列基序。此外，我们成功地创建了一组嵌合转录因子，可以逆转这些转录因子的DNA结合特异性和基因调控特异性。此外，基于AlphaFold2预测的结构，我们考虑了氨基酸序列基序产生NIN和NLP不同DNA结合特异性的理化机制，并通过实际生化分析证明了其有效性。此外，通过使用通过上述过程设计的嵌合转录因子，他们已经开始创建Lotus japonicus（一种模式豆科生物），即使在富含氮营养的条件下也能形成根瘤。此外，通过创建适合结构分析的构建体并建立其纯化方法，我们为通过实验阐明转录因子和靶DNA的复杂结构奠定了基础。