「Mo」非大豆はどのようにして豊富になったのでしょうか？科学者がモリブデン肥料で大豆の収穫量を増やす鍵となる遺伝子を発見！

2023年11月22日、権威ある国際植物学雑誌「現代生物学」は、中国科学院分子植物科学卓越センターの趙大銀氏の研究グループと中国科学院遺伝学・発生生物学研究所の田志希氏の研究グループが共同で完成させた研究論文をオンライン版で公開した。この研究では、全ゲノム関連解析を通じて、大豆種子中のモリブデン含有量の自然変動を制御する2つの重要な遺伝子、GmMOT1.1とGmMOT1.2のクローン化に成功しました。研究の結果、これら2つの遺伝子は大豆の葉におけるモリブデン依存性オーキシン合成を促進し、葉の光合成面積を増やすことで大豆の収量を増加させることが示されました。さらに、この研究では、これら2つの遺伝子には5つのハプロタイプがあり、これらのハプロタイプの地理的分布は土壌pHと密接に関連していることも判明しました。これは、さまざまな土壌タイプに適応する大豆のカスタマイズされた育種のためのガイド分子マーカーを提供できる可能性があります。

モリブデン（Mo）は植物の成長に欠かせない微量元素であり、多くの生物の成長過程において重要な役割を果たします。マメ科植物の場合、モリブデン肥料は特に重要です。農業生産においては、葉面散布モリブデン肥料を施用してマメ科作物の生産力を高めることが必要になることがよくあります。マメ科植物のモリブデン肥料に対する需要が非常に高いのは、マメ科植物の生物学的窒素固定プロセスにおけるモリブデンの需要が高いことに関係していると一般に考えられています。しかし、この理論は、生産時に葉にモリブデン肥料を散布する必要性に反します。なぜなら、根粒窒素固定は根で起こるものの、植物の葉から根にミネラル栄養素が運ばれるという報告はないからです。したがって、葉面散布Mo肥料の収量促進効果の背後には未知のメカニズムがある可能性がある。

大豆は人類にとって最も重要な作物の一つであり、タンパク質と油の主な供給源です。その成果は食糧安全保障と国家安全保障に関連しています。しかし、大豆の品種間でモリブデンを吸収し利用する能力に自然な変異が存在するかどうか、この変異が大豆の生産にどのような影響を与えるか、そしてこの変異をどのように活用するかについてはほとんどわかっていません。

研究者らは、イオノミクスと全ゲノム関連解析を用いて、大豆のモリブデン含有量の自然変動を制御する2つの遺伝子、GmMOT1.1とGmMOT1.2をクローン化した。さらに分析を進めたところ、天然大豆品種には 5 つの主要なハプロタイプが含まれており、そのうちハプロタイプ 5 は大豆における発現レベルとモリブデン輸送能力が最も高く、ハプロタイプ 4 は発現レベルとモリブデン輸送能力が最も低いことが明らかになりました。一連の遺伝学的および分子学的実験により、GmMOT1.1 と GmMOT1.2 が大豆の根によるモリブデンの吸収と地上部から根へのモリブデンの輸送に関与していることが示されました。 GmMOT1.1とGmMOT1.2の機能が減少すると、変異体のモリブデン含有量と収量が大幅に減少しましたが、GmMOT1.1の強化によりモリブデン含有量と大豆収量が大幅に増加しました。したがって、この 2 つの遺伝子は大豆の地上部のモリブデン含有量を調節し、さらに大豆の収量に影響を与えます。

興味深いことに、GmMOT1.1 と GmMOT1.2 は根粒の窒素固定能力に影響を与えず、他の窒素同化プロセスにも影響を与えませんでした。驚くべきことに、GmMOT1.1 と GmMOT1.2 の変異体と過剰発現植物の葉のオーキシン含有量は大幅に変化し、変異体の葉のオーキシン含有量は大幅に減少し、過剰発現植物の葉のオーキシン含有量は増加しました。さらなる研究により、大豆の葉にはモリブデン結合アルデヒド酸化酵素があり、インドール-3-アセトアルデヒドからオーキシンのインドール-3-酢酸への合成を触媒できるが、触媒活性はモリブデン含有量に依存することがわかった。そのため、GmMOT1.1とGmMOT1.2の機能が強くなると、葉のモリブデン含有量が増加し、オーキシンの合成と葉の成長が促進され、大豆の収量が増加します。この結果は、農業においてモリブデン肥料を葉に直接散布することで大豆の収穫量を改善できる理由も説明しています。

さらに、この研究では、中国の異なる栽培地域における2つの遺伝子の異なるハプロタイプの分布が土壌のpHと密接に関係していることも判明した。機能が強いハプロタイプは主に酸性土壌やモリブデン含有量の少ない土壌に分布し、機能が弱いハプロタイプはアルカリ性土壌やモリブデン含有量の多い土壌に分布する傾向があり、どちらも人為選択を受けていることが示されています。この結果は、これら 2 つの遺伝子を使用して、異なる pH レベルの土壌に適応できるカスタマイズされた高収量大豆品種を育種するための分子マーカーを設計できることを示唆しています。

この研究は、大豆種子中のモリブデン含有量の自然変異の遺伝的メカニズムを明らかにし、マメ科植物の葉にモリブデン肥料を与えることで収量を増やす原理を明らかにし、土壌pHに基づくカスタマイズされた大豆育種のための分子マーカーを発見し、大豆の栽培と育種戦略をさらに最適化し、栄養効率の高い大豆品種を栽培するための強力な科学的根拠を提供しました。