理学部 生命化学科

教授

内海 俊樹

植物と微生物の共生システムの謎に迫る

ヘモグロビンを使ってマメ科植物の共生能力を高める

マメ科植物と根粒菌の共生窒素固定

 ダイズに代表されるマメ科植物は、根粒というコブを根に形成し、内部に根粒菌を住まわせます。住みついた根粒菌は窒素固定(※1)に専念し、植物に窒素養分として供給します。窒素養分は植物の生長に必須であり、マメ科植物は根粒菌との共生により、大切な窒素養分を得ているのです。根粒菌との共生窒素固定は、マメ科植物だけが持つユニークな能力であり、根粒の窒素固定活性を高めることができれば、食糧増産や環境・エネルギー問題の解決に貢献できる可能性があります。
 実は、植物もヘモグロビンを持っています。起源は動物のヘモグロビンと同じであり、植物の様々な生命活動を調節する役割を担っています。根粒の中には、酸素との親和性が強いヘモグロビンがあり、窒素固定に必須であることが知られていましたが、私たちは、一酸化窒素との反応性が高いタイプのヘモグロビンも重要な働きをしていることを突き止めました。このタイプのヘモグロビンを多く作るミヤコグサを開発したところ、その根粒は、窒素固定活性が高くて寿命が長いだけでなく、冠水にも強いという特性を示しました。生産性の高いマメ科農作物の開発に結びつけようと、さらに研究を進めています。

植物も昆虫も同じ方法で共生相手を飼いならす?

異なる共生システムのよく似た抗菌活性ペプチド

 根粒菌は、栄養豊富な条件では活発に増殖します。しかし、根粒内部の根粒菌は、マメ科植物から様々な養分の供給を受けながらも、増殖することをやめて窒素固定に専念します。私たちは、根粒内部には根粒菌を飼いならす仕組みがあるはずだと考え、そのひとつを明らかにしました。マメ科植物は、抗菌活性ペプチド(※2)を使って、根粒菌を飼いならしていたのです。根粒内部では、抗菌活性ペプチドが根粒菌に直接作用して、窒素固定に専念させていました。このペプチドが根粒菌に作用しなくなった根粒は、窒素固定をしなくなることから、共生に必須であるとわかりました。
 さて、アブラムシの体内には、ブフネラという細菌が住みついています。ブフネラは、アブラムシが作ることのできない養分を合成して、アブラムシに与えています。アブラムシ体内の共生器官の中で、ブフネラは増殖することをやめ、アブラムシへの栄養供給に専念しています。この共生器官には、根粒のものとよく似たペプチドがあり、私たちは、抗菌活性があることを見つけました。マメ科植物とアブラムシは、異なる生物でありながら、よく似たペプチドを使って、共生細菌を飼いならしているようです。

用語解説

(※1)安定な窒素分子を生物が利用可能なアンモニアへと還元する反応。窒素肥料は,莫大な化石エネルギーを消費して工業的に生産されています。根粒内部の根粒菌は,大気中の窒素ガスをアンモニアへと変換し,植物へ窒素源として供給します。窒素固定に必要なエネルギー源は,植物が根粒菌へ供給します。この両者のギブアンドテイクの関係を「共生窒素固定」とよんでいます。
(※2)アミノ酸がペプチド結合で連結された分子。厳密に区別されているわけではありませんが,50アミノ酸残基程度以下の長さの分子をペプチド,それ以上の分子をタンパク質といいます。様々な生理活性を持つ多様なペプチドがありますが、中には抗菌活性のあるペプチドもあります。

Profile

理学部 生命化学科

教授

内海 俊樹

昭和33年長崎県佐世保市生まれ。昭和59年鹿児島大学大学院理学研究科修士課程生物学専攻修了。出光興産株式会社を経て、昭和61年鹿児島大学理学部生物学科助手。昭和62年から平成元年にかけては、東京大学応用微生物研究所(現 分子細胞生物学研究所)、平成15年から平成16年にかけては、フランス国立植物科学研究所で研究活動。平成22年より現職。博士(農学)。専門は微生物遺伝学、植物-微生物相互作用。

学生(受験生)へのメッセージ

 増加の一途をたどる世界人口。その「食」を支えてくれるのが、植物と微生物の共生です。農・畜産物を生産するために、石油や天然ガスを大量に消費して窒素肥料を合成し、農地に投入しています。人類は、「食」さえも石油に依存しているのです。このままでは、食糧不足は必至です。共生窒素固定の仕組みを分子や遺伝子のレベルで理解して、窒素肥料をあまり必要とせず、生産性も高い農業システムの構築に貢献したいと考えています。

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