国立大学法人東海国立大学機構 名古屋大学大学院生命農学研究科の榊原 均 教授は、国際農研、京都大学、理化学研究所、東京大学および農研機構の研究チームと共に、葉のしおれが見られない程度の極めて初期の干ばつ1)において、植物体内のリン酸2)量が低下し、リン酸欠乏応答3)が起こることを世界で初めて発見しました。
温度異常、塩害、病虫害などのさまざまな環境要因の中で、干ばつは作物生産に最も深刻なダメージを与える環境ストレスです。枯れてしまうような目に見える干ばつによる被害だけでなく、葉がしおれない軽度の干ばつであっても、収量が半減するほどの甚大な被害をもたらします。しかし、このような「見えない干ばつ」に対して、実際の畑で植物がどのように応答しているのかについては、畑の環境が複雑に変化するだけでなく、十分な雨が降ると干ばつ試験を行うことができないため、これまで解明されていませんでした。
そこで研究チームは、軽度の干ばつを人為的に安定して誘導するため、これまで干ばつ研究では利用例がなかった、水はけを良くすることを目的として畑の土を盛り上げる「畝（うね）」を利用した実験系を開発しました。さらに、6年間の畑での実証試験を通して、毎年変わる環境条件下においても、畝により干ばつを安定して誘導することに成功しました。この実験系を用いた畑のダイズの網羅的解析から、これまでわかっていたアブシシン酸4)（ABA）の応答が起こる前の、葉がしおれないレベルの初期の干ばつにおいて、植物のリン酸量が低下し、リン酸欠乏応答が起こることを突き止めました。また、実験室におけるシロイヌナズナ5)を用いた解析から、リン酸欠乏応答に関わる鍵遺伝子が、干ばつ初期の植物の生育に重要な役割を果たしていることを明らかにしました。
本研究の成果により、干ばつ初期の「見えない干ばつ」に対する植物の応答レベルを定量的に検知することが可能になりました。それにより、作物収量が干ばつによる影響を受ける前に、水分供給を最適化できる画期的な技術の開発への道が切り拓かれました。このように、本研究における畝を用いた干ばつ実験系の開発および「見えない干ばつ」を捉える指標としてのリン酸欠乏応答の発見は、将来の食料安全保障の改善に貢献することが期待されます。
本研究成果は、国際科学専門誌「Nature Communications」オンライン版（日本時間2023年8月19日）に掲載されました。
・ 栄養欠乏応答から始まる植物の新たな干ばつストレス応答機構を発見
・ 畝（うね）を利用して、畑で干ばつを安定して誘導する実験系を開発
・ 減収に直結する「見えない干ばつ」を早期に捉え、灌漑の最適化が可能に
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1) 干ばつ：雨が少ない場合や、長期間雨が降らない場合に起こる水不足の状態を意味しますが、水不足が生じるタイミング、頻度、持続時間や強度などの程度によって、植物への影響も大きく異なります。「干ばつ」と一言で表現しても、実はとても複雑で、捉えることが難しい現象です。
2) リン酸：植物の生育に必須な栄養素のうち、三大栄養素（窒素、リン酸、カリウム）の一つです。植物体内において、核酸の構成成分であり、タンパク質合成やエネルギー代謝にかかわる重要な物質でもあります。
3) リン酸欠乏応答：リン酸が欠乏した時に植物体内で遺伝子発現などが誘導され、植物体内へのリン酸の取り込み能が増大したり、根圏の形態に変化が生じたりするような応答反応のことです。この研究では、特に、リン酸欠乏によって誘導される特異的な遺伝子発現に注目しています。
4) アブシシン酸：植物ホルモンの一つで、ABAと略されます。植物の乾燥ストレス応答や、種子の休眠において重要な働きをすることが良く知られています。
5) シロイヌナズナ：アブラナ科の一年草です。ゲノムサイズが小さいこと、一世代が短く室内で容易に栽培できること、多数の種子が得られることなどの特徴から、モデル実験植物として世界中で研究に用いられています。
<論文著者> Nagatoshi, Y., Ikazaki, K., Kobayashi, Y., Mizuno, N., Sugita, R., Takebayashi, Y., Kojima, M., Sakakibara, H., Kobayashi, N.I., Tanoi, K., Fujii, K., Baba, J., Ogiso-Tanaka, E., Ishimoto, M., Yasui, Y., Oya, T. Fujita, Y.
<論文タイトル> Phosphate starvation response precedes abscisic acid response under progressive mild drought in plants
<雑誌> Nature Communications
DOI : https://doi.org/10.1038/s41467-023-40773-1
URL : https://www.nature.com/articles/s41467-023-40773-1
