发现提高植物抗旱性和生物量生产性的化合物 - -为农作物抗旱肥料和技术的开发做出贡献-
理化学研究所
埼玉大学
发现提高植物抗旱性和生物量生产性的化合物 - -为农作物抗旱肥料和技术的开发做出贡献-
理化学研究所(理研)环境资源科学研究中心植物基因组表达研究小组组长、扎纳布·艾哈迈德研修生、克拉姆·巴希尔研究员(研究当时)等国际联合研究小组表示，“烟酸[1]”可提高植物的耐干旱胁迫性和生物量生产率。本研究成果有望为加强农作物抗旱性的肥料和技术开发做出贡献。 为了使植物耐干燥和干旱，正在开发通过基因重组和化合物等强化植物耐干燥性的技术。 在以往的技术中，大多存在虽然干燥胁迫耐受性得到强化，但生物质能生产率却减少的课题。 这次，国际共同研究小组解析了负责生物体内电子传递反应的一种叫做NAD[2]的化合物的生物合成路径( NAD生物合成补救路径[3] )中包含的基因功能。 结果表明，通过过度表达烟酰胺酶3(NIC3) [4]的基因，或者向植物赋予NIC3的代谢物烟酸，可以加强植物的干旱胁迫耐受性，提高生物量生产率。 本研究刊登在科学杂志《Plant Molecular Biology》在线版( 8月30日)上。
烟酸提高拟南芥的抗旱性及生物量
背景 由于全球变暖等环境变动引起的干旱的发生和沙漠化的加剧，带来作物的生长·产量的降低等，正在成为人类可持续生活的地球规模的深刻课题。 另外，预计世界人口到2050年将达到100亿，需要提高更多作物的生产力。 在这种情况下，开发能应对干燥等环境压力的植物创造技术，从粮食问题、人口问题、环境问题等方面来看也成为了急需解决的重要课题之一。 国内外的研究小组正在大力进行环境胁迫耐受性植物的开发研究。 但是，在以往的技术中，虽然强化了干燥胁迫耐受性，但是存在生物质能生产率减少的课题，需要实现这两者的新战略。
研究方法和成果 国际联合研究小组迄今为止以阐明植物对干旱胁迫适应相关的分子机制为目标，实施了转录组分析[5]，鉴定了根组织特异性由干旱胁迫表达诱导的基因组。 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( NAD )是负责生物体内电子传递反应的化合物。 在植物中NAD的生物合成路径中，有以天冬氨酸为起始材料的de novo路径和利用烟酰胺的补救路径两种。 此次，国际共同研究小组着眼于NAD生物合成补救路径中包含的烟酰胺水解酶之一的烟酰胺酶3(NIC3)的基因，调查了其功能。 结果表明，利用拟南芥过量表达NIC3基因，可以强化干旱胁迫耐受性，并提高生物量生产率(图1上段)。 另外，明确了将NIC3的代谢物“烟酸”给予植物也可以得到同样的效果(图1下段)。
图1 NIC3基因过剩表达或使用烟酸的干燥耐受性实验和生物量生产性评价
图2抗旱性增强生物质生产率提高的分子机理 如果向植物提供NAD生物合成途径中含有的NIC3基因的过度表达，或者作为NIC3代谢物的烟酸，则与NAD途径的代谢和环境胁迫耐受性生长等相关的基因和代谢物的重编程以及根部的NADH/NAD比的减少等。 通过这些，强化干燥胁迫耐受性，提高生物质能生产率。
今后的期待 本研究发现，通过高蓄积NAD生物合成补救路径的代谢物烟酸，可以提高植物的抗旱性和生物量生产率。 应用本成果的话，将来有可能对农作物抗干燥压力的肥料和农药的开发，以及与之相伴的产量增产等做出贡献。 因此，本次研究有望为联合国2016年制定的17个“可持续发展目标( SDGs ) [8]”中的“2 .杜绝饥饿”做出贡献。
补充说明 1 .烟酸 一种被称为耐酸的水溶性维生素b群，与体内的氧化还原反应有关。 帮助代谢糖分、脂质、蛋白质产生能量的酶和分解酒精的酶等发挥作用。 2 .NAD烟酰胺腺嘌呤二核苷酸。 是所有真核生物和许多古细菌、真正细菌中使用的电子传输体。 作为各种脱氢酶的辅酶，可以分为氧化型( NAD+ )和还原型( NADH )两种状态。 并且，还参与脱乙酰化和ADP糖基化等蛋白质的翻译后修饰，不仅局限于能量代谢，还调节着分化增殖等各种细胞内功能。 3.NAD生物合成补救途径 植物中NAD的生物合成路径如下图所示，有以天冬氨酸为起始材料的de novo路径和利用烟酰胺的补救路径两种。
4 .烟酰胺酶3 (NIC3 ) 烟酰胺酶( NIC )催化水解烟酰胺生成烟酸的反应。 拟南芥基因组中有4个NIC基因，其中NIC3基因通过干燥处理在根部特异性强烈表达诱导。 5 .转录组分析 全面分析细胞中存在的所有RNA的表达分布图。 被用于基因的功能解析和基因网络的解析等。 6 .毛细管电泳-飞行时间型质谱仪( CE-TOF MS ) 将毛细管电泳装置( CE )连接到飞行时间型质谱仪( TOF/MS )上的分析仪。 通过向毛细管的两端施加高电压，样品溶液中含有的化合物基于各物质的[电荷]/[离子半径]之比移动并分离。 之后，利用质量分析装置使试样成分离子化，在真空中利用质量和电荷的比( m/z )分离得到的离子并进行测量。 “电子显微镜”是辅助电磁光谱的缩写。 7 .代谢综合征分析 代谢综合征是指细胞内合成的低分子代谢产物的总体。 植物中的总代谢物质被认为是20万~100万种。 所谓代谢综合征分析，就是对这个代谢综合征进行全面的测量分析。 8 .可持续发展目标( SDGs ) 2015年9月联合国峰会通过的《可持续发展2030议程》中列出的2016年至2030年国际目标。 它由实现可持续发展世界的17个目标、169个目标组成，不仅是发展中国家，也是发达国家自身努力的环球之物，作为日本也在积极努力(从外务省主页进行部分改变后转载)。
国际联合研究小组 理化研究所环境资源科学研究中心 植物基因组表达研究小组 队长关原明 研修生扎纳布·艾哈迈德( Zarnab Ahmad ) 研究员(研究当时)克拉姆·巴希尔( Khurram Bashir ) 研究员(研究当时)松井章浩 技术人员ⅰ田中真帆(田中真帆) 技术基础部门质谱显微镜分析单元 专业技术员佐佐木亮介 客座主管研究员及川彰 组合队长平井优美 埼玉大学研究生院理工学研究科环境控制系统课程 研究生乔莫里格( Chaomurilege ) 研究生宋恩凯( Zu Yanhui ) 川合真纪教授 旁遮普大学卓越分子生物学中心 教授布什拉希德( Bushra Rashid ) 蒂亚夫·胡斯内恩教授( Tayyab Husnain )
研究支援 本研究是在科学技术振兴机构( JST )战略性创造研究推进事业( CREST )“以二氧化碳资源化为目标，创造用于植物物质生产力强化和生物活用的基础技术”研究领域(研究总结:矶贝彰(奈良尖端科学技术研究生院大学名誉教授) )的研究课题“基因组控制网络的理解”
原论文信息
Zarnab Ahmad, Khurram Bashir, Akihiro Matsui, Maho Tanaka, Ryosuke Sasaki, Akira Oikawa, Masami Yokota Hirai, Chaomurilege, Yanhui Zu, Maki Kawai-Yamada, Bushra Rashid, Tayyab Husnain, Motoaki Seki, "Overexpression of nicotinamidase 3 (NIC3) gene and the exogenous application of nicotinic acid (NA) enhance drought tolerance and increase biomass in Arabidopsis.", Plant Molecular Biology, 10.1007/s11103-021-01179-z
发表者 物理化学研究所 环境科学研究中心植物基因组表达研究小组 队长关原明 研修生扎纳布·艾哈迈德( Zarnab Ahmad ) 研究员(研究当时)克拉姆·巴希尔( Khurram Bashir ) (现任拉合尔经营科学大学副教授)
関 原明
ザルナブ・アーマド
クラーム・バシール
新闻负责人 理化学研究所宣传室新闻负责人