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窒素固定に必須の制御遺伝子を発見

掲載日:2014年4月22日

ごくありふれた細菌のシアノバクテリアから、窒素固定に必須の制御タンパク質とその遺伝子を、名古屋大学大学院生命農学研究科の藤田祐一(ふじた ゆういち)准教授と辻本良真(つじもと りょうま)研究員らが世界で初めて発見した。空気中の窒素を固定する生物の反応を解明する手がかりで、将来は遺伝子導入で作物が自ら窒素固定する可能性をはらむ成果として注目される。4月21日、米科学アカデミー紀要オンライン速報版に発表した。

生物は主に、炭素、酸素、水素、窒素の4元素からなる。このうち、窒素は最も不足しがちで、地球上の生物の存在を制限している元素である。窒素固定は、空気中の窒素を生物が利用できるアンモニアなどに変換する反応で、ニトロゲナーゼという酵素によって担われている。しかし、この酵素は酸素で速やかに壊される弱点をもつ。光合成によって酸素を発生するシアノバクテリアで、どのように窒素固定が制御されているのか、謎だった。

研究グループは、シアノバクテリアのゲノムを解析し、窒素固定に関わる多数の遺伝子群が集積する領域を見つけた。この領域の遺伝子が欠損した変異体11株を単離して、窒素固定の能力などを比較した。このうちの1株は、転写制御タンパク質が欠損している変異体で、通常なら窒素固定をする条件下でも、窒素固定できなかった。

この制御タンパク質をCnfR(遺伝子はcnfR)と名付けて、その働きを遺伝子改変操作などで詳しく調べた。この遺伝子は、細胞が窒素不足のときに発現し、細胞内の酸素レベルが十分低いことを感知して、ゲノムの近傍にある約20種の窒素固定遺伝子群を誘導し、ニトロゲナーゼによる窒素固定を開始させることを突き止めた。

この発見で、光合成(炭酸固定)と窒素固定という2つの基本反応をシアノバクテリアが巧妙に調節している様子が浮かび上がった。太陽光が降り注ぐ昼間は光合成を行い、夜間に細胞内の酸素濃度が下がり、窒素が不足すると、窒素固定をするというように、時間的に隔離して両反応を調和させていることがうかがえる。スイッチのような役割をして、制御の元締めになっているのがこの遺伝子だった。

藤田祐一さんは「シアノバクテリアの窒素固定は地球上の生物への窒素供給で大きな役割を果たしている。今回発見した仕組みがシアノバクテリアでは共通しているだろう。遺伝子cnfRを含め窒素固定遺伝子群を植物へ移植すれば、窒素肥料がなくても、十分な収穫量が得られる作物を作り出すことができるかもしれない。それが実現すれば、大量のエネルギーを消費して高温・高圧で現在作られている窒素肥料を減らすことも可能で、二酸化炭素排出の減少も期待される」と話している。この研究は、科学技術振興機構(JST)先端的低炭素化技術開発(ALCA)の支援を受けた。

研究に使ったシアノバクテリア
写真. 研究に使ったシアノバクテリア。
細胞が連なった糸状体を形成し、光合成をするほか、低酸素条件で窒素固定をする。

 シアノバクテリア窒素固定遺伝子群の制御の仕組み
図. シアノバクテリア窒素固定遺伝子群の制御の仕組み
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