1990年にNodファクターが同定されてから、それを認識するマメ科植物の受容体について、世界中の共生研究者が注目しました。しかし、ここから10年は、私には長い暗黒の時代のように思えます(私が大学で研究を始めたのは1998年からですが・・・)。
簡単にまとめてしまうと、Nodファクターやフラボノイド研究に長年用いてきたダイズやエンドウでは、90年代はほとんど研究が進みませんでした。その代わりに90年代後半に整備されたマメ科のモデル植物であるミヤコグサとタルウマゴヤシの登場で、2000年代に共生研究は一気に進みました。
簡単ではない解説は以下を参照してください。
(頑張ってなるべく簡単にしましたが・・・)
生物の機能に関する設計図であるゲノムは、RNAウイルス以外はA, T, G, Cの4文字が延々と一列に並べられたものです(二重鎖になった1本で1つの染色体となる)。マメ科植物のNodファクターを認識する受容体の設計図も、ゲノムのどこかに書かれているはずです。しかし当然ながらゲノムの中には様々な「受容体」が含まれていますし、誰も見たことが無いNodファクター受容体がどんなものか、見当もつきません。このような状況での正攻法として、「あちこちの遺伝子を壊した変異体を大量に作って、そこから共生できなくなった個体を単離して、原因となった遺伝子を同定する」という手法(forward genetics)があります。
ゲノムのサイズは生物によって異なるのですが、自分の見たい現象さえ観察できるならば、なるべくゲノムサイズが小さい方が楽チンです。また世の中には人間と同じような２倍体(父方と母方由来の染色体が合計2セット。対になる染色体を相同染色体と呼ぶ)の生物だけではなく、コムギのように6倍体の植物などが存在します。１つの劣性遺伝子を解析する場合、2倍体だと2セットの染色体の遺伝子がそれぞれが壊れていれば良いのですが、6倍体だと6セットなので大変です。遺伝子を壊す処理で、全ての相同染色体で同じ遺伝子が壊れる可能性は、ほとんど０です。そこで子孫から全ての相同染色体の同じ遺伝子が壊れているものを探さなければなりません。２倍体の自家和合性だと、変異処理した次の世代は、単純なメンデル遺伝により1/4の確率で両方の遺伝子が壊れたホモ個体が採れます。倍数性の高い、しかも自家不和合性の植物とか悪夢ですね・・・。
当時、アブラナ科のシロイヌナズナという2倍体のモデル植物が集中的に研究されていました。これは簡単に遺伝子導入(形質転換または遺伝子組換えとも言う)が可能で、ゲノムのサイズも小さいし、植物サイズも小さく扱いやすい。さらに世代時間も6週間ほどで、ゲノムのDNA配列も完全に解読されていました。変異体の原因となった遺伝子を絞り込んで、それに対応する健全な植物のゲノム断片を導入して、変異体の表現型が回復すれば証明できてしまいます。(残念ながら、根粒菌共生しないアブラナ科)
一方でイネなどの他の植物は、一度カルスにしてから形質転換して個体再生しなければならず、1年前後の時間がかかります。そこから次世代の種を取って解析するのですが、ナズナは花芽をアグロバクテリウム液に浸ければ、そのまま形質転換された種が取れます。つまり候補遺伝子が見つかったとしても、ナズナ以外は確認するのが大変です。
マメ科植物の代表として長年研究されてきたダイズやエンドウは、形質転換さえも非常に効率が悪くて不可能に近い状況でした。また、ゲノムサイズも非常に大きく、ダイズはナズナの10倍、エンドウについては40倍近い大きさです。そこでおそらく1990年代の中頃くらいからだと思いますが、デンマークのJens Stougaard博士がミヤコグサ(Lotus japonicus ecotype Gifu)をモデル植物として整備し始めました。もともと4倍体の西洋ミヤコグサ(Lotus corniculatus)はマメ科で唯一、少し特殊な方法で形質転換が可能だったのですが、2倍体の近縁種であるミヤコグサに注目したのです。
ミヤコグサはゲノムサイズもイネと同等(ナズナの4倍ちょっと)であり、世代時間も3-4ヶ月程度です。また基礎生物学研究所の川口正代司博士がミヤコグサに注目して日本の各地を探し回り、世代時間が2ヶ月のミヤコグサ(Lotus japonicus ecotype Miyakojima)を発見してモデルの整備に貢献されました。
1999年になってStougaard博士らがミヤコグサの根粒菌共生に必須のNIN遺伝子の同定をNature誌に報告しました (Nature volume 402, pages 191–195)。そして2003年に同じくStougarrd博士らによって、Nodファクター受容体であるNFR1とNFR5が報告されたのです。
ちなみにミヤコグサをモデルとして整備していたデンマークや日本のグループとは独立に、アメリカやフランスの研究者が4倍体のアルファルファ(Medicago sativa)の近縁種である2倍体のタルウマゴヤシ(Medicago truncatula)に着目してモデル整備を行いました。お互いにライバル意識が強く、タルウマゴヤシの論文は主にScience誌、ミヤコグサはNature誌という具合に、出版社を巻き込んで争っていたように感じられました。しかし面白いもので、同じ遺伝子のミヤコグサ版がNature誌に先に出されても、タルウマゴヤシ版はScience誌に掲載できます。そうすると今度はミヤコグサの研究者のライバルは同じミヤコグサの研究者となって、むしろタルウマゴヤシ研究者と協力しあえます。直接関わっていない私には実際の状況は判りませんが、当時は色々と不思議な論文の掲載のされ方をしていたので、トップサイエンスの世界は政治だなーと感じました(今はもっと酷い)。植物と微生物の共生や寄生の分野は、学会などで「生物間相互作用」と呼ばれているのですが、それを研究している研究者の相互作用も興味深いものです。
コメント
こんにちは。
私の高校では自分で研究内容を考えて研究するという活動があります。
そこで、私は根粒菌の有用性(仮)について研究しようと思いました。
そして、実験の条件を揃えるためにアンモニウムイオンや硝酸イオンを含まない土を使いたいです。
もしよろしければ、窒素栄養を含まない土の作り方を教えて頂きたいです。
秋吉さん、こんにちは。
窒素源を含まない土は色々とありますが、私達はバーミキュライトを使います。
ただし、根粒菌共生は水が多いと阻害される性質があります。
そしてバーミキュライトは水分を含みやすいです。
私がよくやっていたのは、ポットの下に1cmくらいの穴を開けて三角コーナーの水切りネット(不織布)を切って敷き、過剰な水は全て下の段に落ちるという方式でした。もちろん落ちた水はすぐに捨てます。
そして軽く揺すってバーミキュライトが動くくらいまで水は与えません。
共生に限らず、基本的に植物は水が少ない方が健全に育ちます。もちろん乾きすぎると枯れますが。
下皿に水を貯めないようにしてください。
中川 知己
追記ですが、バーミキュライトは窒素以外の栄養も含みません。専門家としては、窒素栄養だけ含まない培養液を自作します。根粒を形成させるだけであれば、水だけでも3週間ほどは育ちますし、差も出せるかとは思います。
返信ありがとうございます。
私がしようとしている実験は、まだ大体しか決まっていないのですが、
田んぼの中こアンモニウムイオンを増やすために田んぼでレンゲソウを育てることがあるということを知り、化学肥料の代わりに根粒菌を使うと環境にやさしいのではないか。根粒菌は肥料として使えるのではないか。ということから研究してみようと思いました。
内容は
①根粒菌はマメ科以外の植物には作用しないのか
…根粒菌を単離・培養し、3種類くらいの何科かの植物と、マメ科の植物を窒素栄養を含まない土で、根粒菌アリ/ナシに分けて育て、成長速度の違いを観察する
◎予想
…マメ科以外の植物は根粒菌アリ/ナシで成長速度に差は無い。
…なぜなら、マメ科以外の植物は根粒菌と共生するために必要な遺伝子を持っておらず、共生関係では植物から貰える、根粒菌が増殖するのに必要な有機物(糖)が与えられないから。
②(実験①が予想通りになれば)根粒菌と有機物(糖)を混ぜて植物を育てる土に入れて実験①と同じように育てる
◎予想
…マメ科以外の植物でも根粒菌＋有機物(糖)を与えた方がよく成長する。
…なぜなら、根粒菌は糖があることで増殖でき、沢山窒素固定をして、土中のアンモニウムイオンや硝酸イオンが増えるから。
今のところこのような感じで考えています。
このような実験の場合でもバーミキュライトを使用して大丈夫でしょうか？
もし、窒素栄養のみを含まない培養液を自作する必要がありましたら、その作り方を教えて頂けると幸いです。
初めての本格的に自分で準備する研究活動で、根粒菌について調べれば調べるほど自分の予想が間違っているのではないか。だとか、この実験は意味はあるのだろうか。と思ってしまいます。
もし宜しければ助言頂きたいです…。
ここまで読んで頂きありがとうございます。
秋吉さん
最初に少し本筋から外れる話ですが、「自然にやさしい」というのは文学的な話で、実はあまり意味がありません。例えば人が全く触っていない草木が一本も生えていない荒野で、人が化学肥料とかを播いて森にしたとしたら、どっちが「自然にやさしい」のか？ 結局は人が好ましいと思う方が「自然にやさしい」という幻想なだけです。
予想して実験しようというのは非常に良いことです。その上で、予想通りであれば最初から実験するまでも無かったということになります。全力で予想しつつ、予想が外れることを期待して実験しましょう。
それで、バーミキュライトを使って培養液を自作して実験すれば、おそらく秋吉さんの予想どおりの結果になるでしょう。つまり当たり前の話です。試薬を色々と買いそろえて、頑張って苦労しながら普通の高校などではできないことをやった割には、あんまりチャンスがありません。知られている知見を基に、そうなるように条件を整備するほど、そのまま知見通りの結果になってしまって新しさが無いということになります。
ご興味の方向性から言えば、むしろ野外の土をそのまま使いつつ、マメ科とそれ以外の植物を植えて比較する方が良いかと思います。
この土では育たないだろうと思えるようなものを使ったり、そこにマメ科植物が生えている土(根粒菌が含まれている)をまぜてみたり、比較として他のマメ科植物が元気に生えている土をつかってみたり。
結果として、意外にマメ科植物じゃない方が育つかもしれませんし、マメ科植物の方が育つのに根粒ができていないかもしれません。病気で全部枯れるかもしれません。その起こった現象を観察すれば、根粒菌と関係なくなるかもしれませんが、面白いことが色々と見つかるでしょう。それはそれで研究活動をすること自体の目的を達成できるのではないでしょうか？
育てるのは意外に難しいので、今すぐ野外でマメ科植物が生えている場所を掘り起こして、マメ科植物とそれ以外の根や地上部を比較するのもオススメです。
自分の研究じゃなくて、とりあえず根粒菌の効果を実感したいだけであれば、バーミキュライトを使って培養液を作って実験するのはアリですが・・・。
とりあえず机上で考えていても仕方無い話です。そこまで調べて考えたのであれば、「テーマ探し」のために今すぐ実験を始めましょう。
おそらく良いテーマが見つかりますよ。
中川 知己
いちおう-N培地の作製方法をお伝えすることはできます。
PDFファイルなのでここに貼ることができないのですが、ご希望なら下記までご連絡ください。
nkgw0726tmmアットマークgmail.コム
(アットマークを@、コムをcomに置き換えて下さい)