六条コムギにおける土壌鉄を穀物に動員するための戦略とボトルネック

以下の論文は染色体数が複雑なゆえに、イネのようになかなか遺伝子操作が行いにくいコムギを対象にして、種子中の鉄含量を増やすための手立てを、コンピューター解析で行ったものである。インド人研究者なのでなかなか分子生物学的研究ができないものと思われる。バックから二番目の著者であるPetra Bauerは最近ドイツ植物界では実力をつけてきた研究者で、彼女とインドの研究者が共同で研究しているということは、近未来で予測すると、ドイツがインドに人材養成で強くかかわってくる可能性を示唆している。1960年代から80年代まではインドの農学研究者が日本にも留学してきたのだが、最近は途絶えているようだ。ドイツは一時人口大国中国の研究機関と幅広い人脈を作っていたが、今後は人口大国インドに進出していくのかもしれない。
ちなみに、次回の国際植物鉄栄養研究会（International symposium on iron nutrition and interactions in plants)は この　Prof. Petra Bauerが　Dusseldorf で開催されるとのことである。




六条コムギにおける土壌鉄を穀物に動員するための戦略とボトルネック

Anil Kumar1、Gazaldeep Kaur1、Palvinder Singh1、Varsha Meena1、Shivani Sharma1、Manish Tiwari2、Petra Bauer3,4* および Ajay Kumar Pandey1*。
1 国立農業食品バイオテクノロジー研究所バイオテクノロジー部、モハリ、インド、2 CSIR-National Botanical Research Institute、ラクナウ、インド、3 Ajay Kumar Pandey1*。
3 Heinrich Heine University Düsseldorf Botany Institute, Düsseldorf, Germany、4 Cluster of Excellence on Plant Sciences, Heinrich Heine University Düsseldorf, Germany、1, 2, 3.
4 Cluster of Excellence on Plant Sciences, Heinrich Heine University Düsseldorf, Düsseldorf, Germany
　　
(概要)
植物における鉄の取り込みと動員に関する我々の知識は、主にシロイヌナズナとイネに基づいている。
鉄のホメオスタシスに関与する複数の因子が明らかにされているが、小麦などの作物種に対する理解には大きな隔たりがある。
そのため、植物における鉄の感知、シグナル伝達、輸送、貯蔵のメカニズムについて、既知・未知を問わず、さまざまなハードルを理解することが重要である。
本総説では、経済的に重要な作物である小麦で得られた最近の知見に基づき、ユニークな見解を述べている。
穀物への効率的な鉄の取り込み、転写制御、長距離移動の戦略について、最近のバイオテクノロジーを用いた穀物への鉄の負荷経路に重点を置いて議論した。
また、同定された鉄関連遺伝子の機構的洞察を支える生理学的および分子遺伝学的な新要素を強調し、穀物中の鉄をアンロードする際のボトルネックについて議論した。
これらの情報は、小麦粒の鉄分濃度を高めるための課題を克服し、効率的な戦略を設計するために、多くの必要なリソースと方向性を提供するものである。
　　
　　
(はじめに　一部省略)
小麦は発展途上国における重要なエネルギー栄養源であり、Feや亜鉛（Zn）などの微量栄養素の強化を含む複数の栄養形質に取り組む対象作物とされてきた（Borgら、2012；Suiら、2012；Chatthaら、2017；Sazawalら、2018）。
改良型適応小麦品種におけるFe含有量に関する限られた遺伝的変異とFeの低い生物学的利用能は、育種家に課題を突きつけている（Veluら、2014年）。
これに加えて、植物におけるFeの取り込みと動員について、複数のボトルネックが確認されている。鉄を取り込んだ後、様々なトランスポーターを介して植物小器官に、細胞間情報ネットワークを介して組織に、そして葉茎と木部を介した長距離輸送系を介して異なる器官に分配しなければならないのである。
鉄のホメオスタシスに関する研究は、非イネ科植物系を代表するモデル植物シロイヌナズナで主に行われてきた。
しかし、小麦の遺伝子資源や鉄のホメオスタシスに関わる詳細なメカニズムに関する情報がないことが、バイオフォーティフィケーションのアプローチを考案する上での大きな障害となっていた。
そのため、穀物中の鉄分を高めるためのバイオテクノロジーを開発するためには、保存されている、あるいはコムギに特有の新しいターゲット領域を議論し、探索することが不可欠である。
ここでは、主に根から穀物への鉄の取り込みと移動に関与する遺伝子の構成要素と、潜在的な遺伝子ターゲットをささやかだが見ることができる。
穀物への鉄の取り込みは多段階に渡るが、モデル植物であるシロイヌナズナやイネとの類似性から、穀物の微量栄養素を濃縮する確実な戦略はほとんど考案されていない。
これらの遺伝的要素のいくつかは、小麦で最近具体的に同定され報告されている(Kaur et al., 2019; Wang M. et al., 2019)。
本総説では、バイオテクノロジー的な介入によって利用可能な重要な候補遺伝子のいくつかを説明し、革新的な方策についても議論した。
我々は、シロイヌナズナや Oriza sativaなどのよく研究されている植物からFeホメオスタシスに関与する遺伝子の比較説明を行い、遺伝子制御ネットワークの概要を紹介した。
また、小麦粒の低鉄分を克服するための実行可能で持続可能なアプローチを開発するために、粒の高鉄分を持つ新しい遺伝子型を最終的に生成するための解剖学的ボトルネックと、直ちに注意を払う必要がある主要な領域を強調した。
さらに、遺伝子組換えによる穀物中の鉄分濃縮とボトルネックの課題についても、可能な解決策に重点を置いて論じた。
　　　
（結論と今後の展望）
穀物の栄養価を向上させることは、非常に重要でありながら、困難な課題である。
小麦の鉄分強化は、何十年もの間、困難な課題であり、成功例も限られている。
従って、根からの鉄吸収を改善するためのより良い戦略の設計、鉄制限条件下で耐性を示す生殖質の遺伝的スクリーニング、古典的生理学のアプローチとオミックスデータ主導のシステム生物学的研究の組み合わせは、小麦粒への鉄再移動に関わる制限段階を弱めるのに確実に役立つであろう。
また、Fe制御遺伝子のホメオログ特異的発現解析により、A、B、Dサブゲノムに対する発現の偏りが明らかになった（Kaur et al.、2019）。
これらの研究により、候補遺伝子またはホメオログの選択が効率化され、また、はるかに効率的かつ合理的になった。
遺伝子工学ツール、ゲノム配列情報、遺伝子マイニング、機能ゲノミクスは、小麦の微量栄養素増強の新規戦略を開発するための研究の推進に役立つだろう。
さらに、遺伝子編集によって遺伝子の転写制御を行うことは、形質改良のための代替戦略となり得る。
CRISPR/Cas9 技術の進歩は、遺伝子発現制御をより良い方法で知ることに役立ち、新たなツール を提供することになるであろう。過剰なFe濃度が植物の酸化ストレスを引き起こすことを念頭に置き、Feホメオスタシスの調節に対する今後の試みは、小麦におけるIRO3、HRZ、IMAなどの新しいプレイヤーを含む、ネガティブとポジティブ両方のレギュレーターを考慮することができる（ Kobayashi et al, 2013; Grillet et al, 2018）。
さらに、植物への過剰なFe負荷を制御するために、CRISPRiまたはCRISPRaを用いて、遺伝子発現を微調整することができる。
このために、様々な単子葉植物に特異的な強力なプロモーターと遺伝子制御要素（CRISPRa）を持つベクターやツールキットプロモーターや遺伝子制御要素（アクチベーター／リプレッサー）を持つベクターやツールキットがAdd-geneレポジトリで利用可能である（Kamens, 2015）。
CRISPR/Cas9を介した最新の遺伝子編集ツールとともに、小麦ゲノムリソースの拡大（Borrillら、2016；Appelsら、2018；Ramírez-Gonzálezら、2018）により、Feに富む小麦粒を実現するための確実な可能性がある。
　　
　　
以下Fig2とFig3の説明

図2
鉄のホメオスタシスに対する機能的活性について報告されたシロイヌナズナおよびイネのbHLHタンパク質の転写ホモログ。
小麦のそれぞれのホモログは、機能の可能性が高い候補として同定され、ネットワークに配置されている。
鉄に関連する現象におけるそれらの保存された役割は、まだ検証されていない。
これらの bHLH 転写因子の多くは、BRUTUS、IRON MAN: IMA、および bHLH-like MYC2 によって制御されている。
bHLH依存的な相互作用と転写レベルでの制御の模式的な配置は、それぞれの矢印記号で示されている。緑矢印：転写活性化、逆T字：遺伝子抑制、両側矢印：タンパク質間相互作用。
　　
図3
小麦の茎と穀物における鉄の獲得、取り込み、移動の主要なボトルネックを模式的に表したもの。
土壌から根、根から芽への鉄の動員を促進し、その後、特定の伝導組織を介して穀物への負荷を高めるために、複数の標的領域が同定されている。
ターゲットIとターゲットIIは、根から芽への鉄の取り込みと、最終的に食用穀物への鉄の輸送を表している。
小麦の場合、主にこの段階で、廃導管からトランスファー細胞、さらに内胚葉細胞（Target-III、IV）へのFeの移動と可動化がボトルネックとなる。
六倍体小麦ではTarget-IIIとIVは未解明であった。
そのため、穀物や組織、あるいは単一細胞に特化したオミックスアプローチを行い、主要なトランスポーターや調節因子を同定することが必要である。
これらの同定された重要な遺伝子は、酵母で機能検証され、その後シロイヌナズナ、Brachypodium、またはコムギで機能証明される可能性がある。
赤い矢印は小麦でのプロセスを示し、青い矢印は小麦遺伝子を異なるモデル種でさらに特性化する手段を示す。

図2

図3