ソルガム根での生物的硝化抑制物質の分泌は転写レベルで制御されている

要約

ソルガム根からの親水性（水溶性）硝化抑制物質の分泌は、根のまわりのアンモニウム(NH4+)の濃度が1.0 mMまでの範囲で濃度依存的に促進される。促進にはNH4+の同化が必要である。また、促進に関与する細胞膜H+-ATPアーゼの活性は遺伝子の転写レベルで制御されている。

キーワード

生物的硝化抑制(BNI) ソルガム転写制御

背景・ねらい

ソルガム（Sorghum bicolor (L.) Moench）は、根から生物的硝化抑制(BNI)物質を分泌して、硝化菌の活動を抑制し硝化活性を低下させる。根のまわりでのNH₄⁺の存在が親水性（水溶性）のBNI物質の分泌を促進するが、この促進には細胞膜H⁺-ATPアーゼ活性が関与している（国際農林水産業研究センター　平成25年度成果情報）。しかし、BNI物質の分泌促進が根でのNH₄⁺の取り込みで起こるのか、あるいはその同化が必要なのか、またH⁺-ATPアーゼ活性が転写レベルで制御されているのか、さらにどのH⁺-ATPアーゼ遺伝子が関与しているか不明のままであるので、これらを明らかにしてソルガムでのBNI物質の分泌機作の解明に資する基礎的知見とする。

成果の内容・特徴

NH₄⁺は1.0 mMまでの範囲では、水耕栽培のソルガム根での細胞膜H⁺-ATPアーゼ活性と根からの親水性（水溶性）BNI物質の分泌をともに促進する（図1a、b）。それより高い濃度になるとBNI物質の分泌促進はなくなる。ATPアーゼ阻害剤のバナデートを添加すると、BNI物質の分泌が減少する（図1c）。この結果は、NH₄⁺の1.0 mMの濃度範囲においてはH⁺-ATPアーゼ活性とBNI物質の分泌との間に機能的連携があることを示している。
ソルガムのゲノム情報から同定した12のH⁺-ATPアーゼ遺伝子うち5つの同質遺伝子(SbA1, 2, 5, 10, 11)では、0.5 mMまでの範囲において根圏でのNH₄⁺の濃度が高くなるにしたがい発現量も明瞭に多くなる（図2）。これらの5つの遺伝子の発現パターンは類似しており、またH⁺-ATPアーゼ活性の変動パターン（図1b）と一致する。この結果は、NH₄⁺による細胞膜H⁺-ATPアーゼ活性の変動が、対応する5つのH⁺-ATPアーゼ遺伝子の転写レベルでの制御によることを示している。
NH₄⁺の非代謝類似体であるメチルアンモニウムを与えても、硝化抑制物質の放出（図3a）とH⁺-ATPアーゼ活性（図3b）は変化しない。また上記のH⁺-ATPアーゼの5つの同質遺伝子の発現に対しては、SbA11を除く4つでは影響を及ぼさない（図3c）。この結果から、NH₄⁺による硝化抑制物質の分泌の促進は、その取り込みだけでは起こらず、NH₄⁺の同化を必要とすることが結論される。

成果の活用面・留意点

ソルガムでの生物的硝化抑制能を強化した実用品種開発の手法の一つとして、細胞膜H⁺-ATPアーゼ活性を高める遺伝的改良が考えられる。
緩効性肥料を使用により土壌中でのNH₄⁺濃度をできるだけ低く維持してソルガム根からの生物的硝化抑制物質をより効率的に分泌させることができれば、硝化活性のより低い、また亜酸化窒素(N₂O)放出がより少ない農業生産システムを構築できる。

具体的データ

図1 ソルガム根から分泌される硝化抑制物質の採取時においてアンモニウム(NH₄⁺)がその分泌(a)と細胞膜H⁺-ATPアーゼ活性(b)に及ぼす影響、及びATPアーゼ阻害剤バナテートの添加が及ぼす影響(c)
図2 NH₄⁺(AM)の濃度ごとのソルガム根での各細胞膜H⁺-ATPアーデ遺伝子の発現比較
図3 NH₄⁺の非代謝類似体メチルアンモニウム(MeA)がソルガムの根での硝化抑制物質の分泌(a)、H⁺-アーゼ活性(b)、H⁺-アーゼ遺伝子の発言(c)に及ぼす影響