Rice SST Variation Shapes the Rhizosphere Bacterial Community, Conferring Tolerance to Salt Stress through Regulating Soil Metabolites

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Lian T, Huang Y, Xie X, Huo X, Shahid MQ, Tian L, Lan T, Jin J.

mSystems. 2020 Nov 24;5(6):e00721-20.

doi: 10.1128/mSystems.00721-20. PMID: 33234605; PMCID: PMC7687028.

Rice SST Variation Shapes the Rhizosphere Bacterial Community, Conferring Tolerance to Salt Stress through Regulating Soil Metabolites | mSystems
Soil salinization is one of the major environmental stresses limiting crop productivity. Crops in agricultural ecosystems have developed various strategies to a...

 塩害は、すでに農業生態系にとって深刻な脅威となっている。世界の灌漑地の約15~50%が塩害に悩まされている。高塩土壌が植物の成長に及ぼす悪影響は、作物の生産性を著しく制限している。世界的な人口増加に伴い、作物の生産性を向上させる必要がある。したがって、塩分の多い土壌の影響を軽減し、植物の塩分に対する耐性を高め、最終的に作物の収量を向上させる方法を探求する価値がある。世界で最も重要な穀物作物であるイネ(Oryza sativa)は塩ストレスに非常に敏感であり、イネの成長と発達を遅らせ、その後収量と品質を低下させる。過去数年間、研究者は、塩ストレスに強い植物品種の育種、トランスジェニック技術、有益な微生物の利用などにより、イネの塩ストレス耐性を向上させる試みを行ってきた。

 根圏微生物は、植物の塩ストレスへの適応過程において重要な役割を果たしている。これらの根圏微生物は、主に植物成長を促進する根圏細菌(plant-growth-promoting rhizosphere bacteria: PGPR)と内生菌から構成されている。PGPRは、作物の収量や適性に有意なプラスの効果があることから、数年前から微生物肥料として広く利用されていることは特筆に値する。例えば、Sinorhizobium melilotiBacillus megateriumNovosphingobium sp. は、1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC)-deaminase、abscisic acid (ABA)、indole-3-acetic acid (IAA)を産生することができ、これらはエチレンレベルを低下させ、根の生育を刺激し、植物の水不足への適応を緩和することで、塩害による生育阻害を克服することができる。また、PGPRは、植物組織内での栄養素(窒素、リン、カリウムなど)の取り込みや水の利用効率を高め、Na+の恒常性を調節することで、植物が塩分に耐えられるようにすることができる。しかし、根圏微生物がイネの外部塩ストレスへの対処を助けることができるかどうかは、まだほとんど分かっていない。

 遺伝子組み換え植物は、作物の栄養素吸収効率を向上させ、外部ストレスに抵抗する能力を向上させることができる。植物特異的な抵抗性遺伝子は、根の滲出液の放出を制御し、結果として根圏微生物に影響を与える可能性がある。さらに、土壌微生物の動態は、代謝物を放出し、ホルモンに影響を与え、宿主遺伝子発現を変化させることで、植物の全身耐性を誘導することができる。例えば、Azospirillum brasilenseEnterobacter sp.は、大麦とシロイヌナズナにおいて、それぞれ塩ストレス応答性遺伝子の転写を誘発する可能性がある。また、イネの硝酸塩トランスポーター遺伝子NRT1.1Bは、O. sativa subsp. indicaのイネ共生細菌のリクルートに関連しており、合成微生物群集を用いた有機窒素条件下でのイネの生育を改善した。別の研究では、根圏微生物叢の構築におけるcoumarinの重要な役割を決定し、植物とプロバイオティクスが一緒にMYB72/BGLU42に依存するscopolinの生産と排泄を誘発し、それによって微生物叢の構造を改善し、宿主植物の成長と免疫を助長することが証明された。最近の研究では、根の滲出液や根圏微生物は特定の植物特異的な遺伝子によって制御されており、植物の栄養素の利用効率やストレスに対する植物の抵抗力に密接に関係していることが明らかになった。

 根組織から分泌される根の滲出液は、物理化学的特性を変化させたり、外部ストレスに抵抗するために有益な微生物をリクルートしたりするなど、土壌中の生物学的・非生物学的プロセスに影響を与える複数の機能を持っている。根の滲出液の組成は、植物固有の遺伝子の発現レベルに依存している。作物が様々なストレスにさらされると、ストレス関連遺伝子の過剰発現または突然変異によって制御された根の滲出液の分泌は、根圏に特別なシグナル伝達効果を持つことになる。これらの特別なシグナルは、特定の有益な微生物を富ませ、維持することができる。多くの研究が、根の滲出物からのシグナルが根圏における植物と微生物の相互作用に及ぼす効果を実証しており、例えば、小シグナル分子(非タンパク性アミノ酸およびアシルホモセリンラクトンを含む)、ポリマー、抗菌剤、またはサリチル酸のような植物ホルモンなどが挙げられる。

 SPL(Squamosa promoter binding Protein-Like)ファミリー遺伝子は、2つのジンクフィンガー構造からなる高度に保存されたDNA結合ドメインSBPボックスを持つ植物特異的転写因子である。SPLは、植物の成長と発達に重要な役割を果たしており、側根の発達、シュートや葉の形態形成、花器の発達、開花、果実の成熟などに関与している。イネでは、SPLファミリーのメンバーがいくつか同定され、特徴づけられている。例えば、OsSPL13/GLW7OsSPL16OsSPL18 は粒径を制御し、OsSPL8/OsLG1 は花序構造を制御し、OsSPL14/IPA1/WFP は分げつ数と穂分岐を制御している。最近では、SPLが植物の環境ストレス耐性を制御する重要な因子であることが明らかになってきている。これまでの研究で、野生型(WT; R401)と比較して育苗塩耐性を示す単遺伝子劣性変異体(sst [seedling salt tolerant])を発見されている。さらに、マップベースクローニング法を用いて、SST遺伝子の候補としてSBPボックス遺伝子(SST/OsSPL10Os06g0659100)を同定し、その後、遺伝子ノックアウトおよび過剰発現アプローチにより特徴付けを行った。SSTノックアウト変異体は塩ストレスへの適応性に優れている。しかし、イネSST遺伝子が根圏の代謝物や微生物叢を調節することで、外部からの塩ストレスを緩和できるかどうかは不明であった。

 本研究では、CRISPR/Cas9システムを用いてSSTを編集したHuanghuazhan(HHZ)とZhonghua 11(HHZ)のトランスジェニック植物を用いた。標的部位はSSTの最初のエクソンに位置しており、編集されたトランスジェニック植物はSSTの機能の喪失を示した。HHZおよびZH11のSST機能を欠損させると、カリウムの蓄積量が増加し、ナトリウムイオンの蓄積量が減少することを明らかにした。塩ストレスおよび非塩ストレス下の土壌に、陽性トランスジェニック植物(HHZcasおよびZH11cas)、HHZおよびZH11植物、および変異体(sst)およびWT植物を植え付けた。16S rRNAアンプリコンハイスループットシーケンシングにより根圏細菌群集を調べたところ、無塩ストレス下では変異体が根圏微生物の集合体をシフトさせることを明らかになった。重要なことは、塩ストレス下では、SST、HHZcas、ZH11cas植物は、根圏微生物の集合体を有意に変化させたことである。さらに、イネSST遺伝子は、根圏微生物群集の動態と密接に関連する土壌代謝物にも影響を与え、根圏微生物群集と土壌代謝物の関係をさらに明らかにした。以上の結果から、イネSST遺伝子が根圏微生物群集と土壌代謝物に関連した塩ストレス応答に及ぼす影響が明らかになった。本研究は、イネSST遺伝子、土壌代謝物、根粒菌群集の間の有用な関連性を明らかにするとともに、土壌微生物管理を通じた作物の適応性向上のための理論的基盤を提供するものである。

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