シアノ ア 窒素固定 必須 制御タン 質
世界 初 発見
－植物へ 窒素固定能移入へ 応用 期待－
名古屋大学大学院生命農学研究科生物機構 機能科学専攻 研究 プ 藤田祐一 准教授 辻本良真博士研究員等 窒素固定能 シアノ ア 窒素固 定 必須 制御タン 質 遺伝子 発見しました
窒素固定 空気中 窒素 植物 生物 利用 分子 変換す 応 地 球上 生物 生産性 決定 け 重要 過程 す 窒素固定 担う ゲ ゼ い う酵素 空気中 酸素 O2 速や 壊さ いう弱点 います こ う 酵素 使う窒素固定 O2 発生す 合成 行う微生物シアノ ア
い う 制御さ い 謎 まま した
今回 研究 プ 発見し CnfR 名付けた制御タン 質 細胞 窒素 足 発現し 細胞内 O2 ベ 充分低いこ 感知し 初 窒素固定遺伝子 群 発現 誘導し ゲ ゼ 窒素固定 開始させ 役割 こ わ
ました
今回発見した遺伝子 cnfR 含 窒素固定遺伝子群 植物へ移植す 窒素肥料 く 十分 穫量 得 窒素固定性作物 作 出すこ 可能 し ませ
こ 大量 化石燃料 消費し 作 化学肥料 減 し 二酸化炭素排出 減少 寄 す こ 期待さ ます
本研究 科学技術振興機構 端的低炭素化技術開発 ALCA 支援 受け実施し 2014年 4 月 21 日 米国時間 週 米国科学誌 米国科学ア ミ 紀要 PNAS
ン イン速報版 公開さ ます
シ 窒素固定 必須 制御タン 質 世界 初 発見
－植物 窒素固定能移入 応用 期待－
概要
古屋大学大学院生 農学研究 生物機構 機能 学専攻 研究 藤田祐一准 教授 辻本良真博士研究員等 窒素固定能 シ 窒素固定 必須
制御タン 質 遺伝子 発見
窒素固定 空気中 窒素 植物 生物 利用 子 変換 応 地球 生物 生産性 決定 け 要 過程 窒素固定 担う いう酵素 空気中 酸素 O2 速や 壊さ いう弱点 い こ う 酵素 使う窒素固定 O2 発生 合成 行う微生物シ い う 制御
さ い 謎
今回 研究 発見 CnfR 付け 制御タン 質 細胞 窒素 足 発現 細胞内 O2 充 いこ 感知 初 窒素固定遺伝子群 発現
誘導 窒素固定 開始さ 役割 こ わ
今回発見 遺伝子
cnfR
含 窒素固定遺伝子群 植物 移植 ば 窒素肥料 く十 穫 得 窒素固定性作物 作 出 こ 可能 こ
大 化石燃料 消費 作 化学肥料 減 二酸化炭素排出 減少 寄 こ 期待さ
ン
○ 窒素固定 担う いう酵素 O2 速や 破壊さ う
大 エ 消費 細胞 窒素 足 い け
作 う 厳密 制御さ い
○ シ 窒素固定 専門 行う 細胞 作 いシ 窒素固定 う 制御 い 明 あ
○ 窒素固定性シ
Leptolyngbya boryana
ンビ 窒素固 定 必須 制御タン 質 遺伝子cnfR
発見○ CnfR 細胞 窒素 足 発現 細胞内 O2 充 いこ 感知
初 窒素固定遺伝子群 発現 誘導 窒素固定 開始さ
役割 こ わ
○
cnfR
含 窒素固定遺伝子群 植物 移入 こ 窒素固定能 植物 作出 こ 可能 い
背景
生物 炭素 酸素 水素 窒素 いう主 元素 構成さ い こ 主要 元素 中 窒素 最 足 こ 多い元素 こ 生物 利用 窒 素 供給 地球 生物 決定 け い 言 過言 あ 地球 存 在 窒素 多く 空気 80％近く 占 窒素 子 N2 存在 ほ
生物 こ 窒素 利用 こ 特 微生物 原核生物 一部 け N2 植物 利用 ン NH3 変換 窒素固定 いう能力 い
こ 限 微生物 け 窒素固定能 植物 移植 こ ば 窒 素肥料 十 穫 得 う 窒素固定作物 作出 こ
O2 触 単 活性化 いう脆弱 性質
酵素 こ う 酵素 合成 O2 作 出 植物 中 う く作動 思え
そこ 研究 シ 着目 植物 合成 行う
微生物シ 窒素固定能 種類 数多く存在 い シ
窒素固定 合成 一 細胞 和合さ こ わ ば 窒
素固定能 植物 移植 こ 窒素固定能 シ
研究 シ いう窒素固定 専門 行う特 細胞 化
中心 さ 窒素 足 い O2 け
作 出 謎
研究 内容
本研究 窒素固定能 シ
Leptolyngbya boryana
図一領域 窒素固定 関わ 多数 遺伝子群 集積 部 見 け 図 こ 領域 50個 遺伝子 さ こ 遺伝子 窒素固定 関わ う 各遺伝子 欠損 変異体 11 株 単離 そ 窒素固定的生育 活性
評価 図 そ 結果 5 株 窒素固定的 生育 い形質 示
こ う 株 こ 機能 くわ い い転写制御タン 質 欠損 い 変 異体 こ 変異体 NK4 詳 く調 窒素固定 行う 条件 窒素 足 硝酸
ン 嫌気条件 本来 窒素固定 関わ 遺伝子群 発現
そ 発現 く見 く い 図 A こ 遺伝子 窒素
足 い 発現 いう制御 受け い こ わ 図 A さ こ 遺伝子 恒常的 発現 う 設計 NK4 導入 株 NK4CS
本来 決 発現 い窒素 充 条件 硝酸 ン 含 条
件 い 活性 検出さ いう結果 得 図 C, D こ こ こ 遺伝子 窒素固定 必須 主要制御タン 質 い こ 示 い CnfR 付け こ タン 質 細胞 窒素 足 発現 細胞内 O2
充 い こ 感 知 初 窒 素 固 定 遺 伝 子 群 発 現 誘 導
窒素固定 開始 役割 担う さ 窒素固定 主要制御タン 質 あ こ
わ 図
成果 意義
窒素固定性 シ 細胞 窒素 足 こ O2 い いう 2 要因 何 方法 感知 窒素固定 行 い 今回 発見 こ
要因 CnfR いう制御タン 質 感知さ 巧妙 ン さ い
こ 明 こ 研究 シ 作 い窒素固定性 シ
昼 合成 夜間 窒素固定 行い 合成 窒素固定 時間的 け
こ 二 和合さ こ 時間的 隔離 概日 制御さ
い い 考え CnfR こ う 時間的隔離 概日
生 出 要因 い さ
cnfR
含 窒素固定遺伝子群 植物 移植 ば CnfR 制御 適 条件 け窒素固定 行い 窒素 肥料 く 十 穫 得 こ 窒素固定性作物 作 出 こ 可能現在 化学肥料 原料 ン 工業的窒素固定 作 い こ 過程 大 化石エ 消費 排出さ 二酸化炭素 膨大 窒素固定性作物 作 出 ば こ 過程 生 二酸化炭素排出 大 く減 こ 期待さ
本研究 学技術振興機構 端的 炭素化技術開発 ALCA 有用 合成生物 窒 素 固 定 能 移 入 導 く 窒 素 革 研 究 代 表者 ： 藤 田 祐 一 支 援 受 け 実 施
用語説明
シ ：植物 う 酸素 発生 合成 行う原核生物 一群 窒素固定能 種類 多数存在
窒素固定：空気中 窒素 N2 ン NH3 変換 窒素固定 生物 いう酵素 用い 行う生物学的窒素固定 ッ シュ法 工業
的窒素固定 あ 生物学的窒素固定 ば 酵素 触媒さ
：窒素 N2 ン NH3 変換 酵素 Fe タン 質 MoFe タン 質 ば 2 タン 質 構成さ ATP 加水 解 共役 電子 移動さ 最終 的 窒素 子 送 窒素 結合 開裂 ン 生成 電子移動 行う
タン 質 内部 金属中心 こ 金属中心 O2 容易
破壊さ O2 対 脆弱 性質 示
シ ： 糸 状 体 形 成 シ 窒 素 固 定 特 化 細 胞
Anabaena いうシ 窒素欠乏 10個 1個 細胞 シ
化 こ シ シ 含
合成 窒素固定 空間的 離さ
論文
“Transcriptional regulators ChlR and CnfR are essential for diazotrophic growth in non-heterocystous cyanobacteria”
転写制御タン 質ChlR CnfR シ 形成 いシ 窒素固定的生育 必須 あ
Ryoma Tsujimoto, Narumi Kamiya, and Yuichi Fujita 辻本良真 神谷成美 藤田祐一
掲載 ：Proceedings of National Academy of Sciences of USA 米国 学 紀要
図１ 本研究で用いたシアノバクテリアLeptolyngbya boryana
シアノバクテリアL. boryanaは 細胞が多数連 った糸状体を形成 る 窒素固定 特 化したヘテロシストを分化 嫌気条件で窒素固定を行う
図2 シ Leptolyngbya boryana 窒素固定遺伝子 タ
各矢印 遺伝子 示 赤 窒素固定 必須 遺伝子 黄色 窒素固定 要 遺伝子 灰 色 窒素固定 必要 い遺伝子 白 窒素固定 寄 明 遺伝子 示 部 横 棒 各変 異体 欠 損さ 遺 伝 子領 域 示 そ 変 異 体 窒 素固 定的 生 育
活性 い 欠失さ 遺伝子 窒素固定 寄
図 単離 変異体 活性 部 棒 フ 生育 部 ッ 比較 各変異体 生型 WT 変異体 図 対応 窒素源 違い 硝酸 ン 含 硝酸 地 窒素源 含 い 無窒素 地 O2 違い 好気的条件 嫌気的条件 生育 比較 窒素固定的生育 無窒素 地 嫌気条件 最 段 可能 窒素固定条件
く生育 い変異体 NK1 NK2 NK4 びNK7 あ NK9 嫌気条件 生育 良 示 窒素固定的生育 活性 エチ ン生成速度 く相関 い
図 変異体NK4 形質解析
(A) 生型 NK4 cnfR欠損株 転写物 フ 生型 cnfR 転写物 (patB)
窒素 欠乏 い 硝酸 け検出さ 窒素固定 遺伝子 硝酸 酸
素 いう窒素固定条件 転写物 検出さ こ 窒素固定条件 転写物 NK4 全く検出さ い (B) NK4 cnfR 恒常的 発現 導入 NK4CS NK4CS
窒素固定的生育 有意 回復 い NK4VC cnfR 含 い 導 入 対照株 あ (C) 生型 硝酸 含 条件 く活性 検出さ
硝酸 酸素 いう窒素固定条件 高い活性 検出さ NK4CS 硝酸 含 条件 い 活性 有意 (D) NK4CS 転写物 フ
NK4CS cnfR 硝酸 有無 高い 発現 い こ わ nifH, nifD,
nifK いう 遺伝子 転写物 生株 く そ 以
回復 い こ 結果 cnfR 発現 ば窒素 十 条件 あ 嫌気条件 あ ば窒素固定遺伝子群 発現 こ 示 い
図 シ 窒素固定遺伝子群 制御 概略
窒素欠乏 cnfR 発現 誘導さ 発現 CnfRタン 質 酸素 感知 初 窒素固定遺伝子群 転写 活性化 いう 窒素固定 タ ュ タ 役割
担 い 推察さ う一 転写制御タン 質 ChlR 直接作
用 く フ や 供給 合成 吸 支え 駆動
必要 還元力やエ 供給 いう間接的 役割 担 い
