Elucidation of holobiont co-evolution mechanism by analyzing aquatic plant-surface symbiotic bacteria interactions

通过分析水生植物-表面共生细菌相互作用阐明全生物协同进化机制

基本信息

批准号：
21K18239
负责人：
森川正章
金额：
$ 16.64万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

土壌環境とは大きく異なり、分子が拡散しやすい水環境には、特有の相利共生の世界が存在する。本研究課題では、ウキクサ科植物を対象として、微生物学的研究と植物生理学的研究の両面から総合的に取り組み、未開拓領域である「陸圏水生植物-共生細菌ホロビオントの共進化」を探究し、持続的な地球生物圏形成の理解に一石を投じることを最終目標とする。本年度の実績概要は以下の通りである。微生物学的研究：ウキクサ成長促進細菌Bacillus altitudinis MRB10の共生機構解析を進めるなかで、自然突然変異株（以下、BX）を偶然に取得した。BXはMRB10由来成長促進因子を生産せず、逆にコウキクサの成長を大きく阻害した。そこでコウキクサ共培養液中からBXが生産する成長阻害因子を探索した結果、1-Butanolで抽出可能な低分子化合物群であることが判った。一方、植物とは共生しない窒素固定土壌細菌Azotobacter vinelandiiがコウキクサ表層で増殖し、窒素を含まない水環境でもコウキクサを生育させうることを発見した。さらに、この相利共生関係はコウキクサに対して限定的であることも判った。植物生理学的研究：成長促進細菌Pseudomonas fulva Ps6がコウキクサ(Lemna minor)の遺伝子発現に与える影響評価を行った。その結果、鉄の利用効率を著しく上昇させていることを見出した。関連して応答する転写制御ネットワークも明らかとなった。培地成分が主要栄養分（窒素、リン等）に比べて比較的鉄に富んでいることから、培地からの鉄取り込み効率の上昇ではないことが示唆された。さらに、ウキクサ成長／遺伝子発現様式の安定的な再現性を得るには、明暗周期をもつ外部環境が重要であることを見出した。

水环境中存在着一个独特的互利共生世界，分子很容易扩散，这与土壤环境有很大不同。在本研究项目中，我们将综合对浮萍科植物进行微生物学和植物生理学研究，探索“陆生水生植物与共生菌全息生物的共同进化”这一未探索领域。对地球生物圈可持续形成的理解存在差异。今年的结果总结如下。微生物研究：在分析浮萍促生菌Bacillus altitudinis MRB10的共生机制时，我们意外获得了天然突变菌株（以下简称BX）。 BX不产生MRB10衍生的生长促进因子，相反，显着抑制三叶曲霉的生长。因此，我们在三叶曲霉共培养物中寻找BX产生的生长抑制因子，发现它们是一组可用1-丁醇提取的低分子量化合物。另一方面，他们发现，一种不与植物共生的固氮土壤细菌——维氏固氮菌（Azotobacter vinelandii）在杂草表面增殖，使得杂草即使在无氮水环境中也能生长。此外，还发现这种互利关系仅限于 Kokweed。植物生理学研究：我们评估了生长促进细菌 Pseudomonas fulva Ps6 对青萍基因表达的影响。结果发现，铁的利用效率显着提高。还揭示了相关且响应性的转录调控网络。与主要营养素（氮、磷等）相比，培养基成分铁含量相对丰富，这一事实表明这并不是由于从培养基中吸收铁的效率提高所致。此外，我们发现具有光暗循环的外部环境对于实现浮萍生长/基因表达模式的稳定再现性非常重要。