エンドウ豆の歴史的鉄蓄積dglおよびbrz突然変異体の遺伝的基盤
エンドウ豆の鉄蓄積dglおよびbrz突然変異体は古くから、鉄の吸収や移行に関する遺伝子が自然変異で破壊されたものではないかと予想されていたが、全遺伝子解析の手法が遅れていて、変異のカ所が特定できていなかった。今回初めてその位置が特定された。めでたしめでたしである。
エンドウ豆の歴史的鉄蓄積dglおよびbrz突然変異体の遺伝的基盤
Sophie A. Harrington , Marina Franceschetti and Janneke Balk
The Plant Journal (2023) doi: 10.1111/tpj.16514
(要旨)
エンドウマメ（Pisum sativum）の「dgl」変異体と「brz」変異体は、葉に大量の鉄を蓄積する。
数十年前に初めて報告されたこの2つの変異体は、植物における鉄のホメオスタシスについて重要な知見を与えてきたが、その根底にある変異は不明のままであった。
エクソーム配列決定法を用いて 我々は、BRUTUSホモログにおけるdglに関連するインフレーム欠失を同定した。
この欠失は 野生型とオリジナルの親株には存在しない。
BRUTUSはE3ユビキチンリガーゼの小さなファミリーに属し、鉄取り込みの負の制御因子として働く。
BRUTUSは、植物における鉄取り込みのネガティブレギュレーターとして働く小さなE3ユビキチンリガーゼファミリーに属している。
brz変異は以前に4番染色体にマッピングされた。
この領域をエンドウ豆のゲノム配列と重ね合わせると、金属輸送において植物特異的な役割を果たすオリゴペプチド輸送体をコードするOPT3の変異が見つかった。
この変異が原因であることは 追加の遺伝子解析によって確認された。
変異遺伝子の同定により、これまで報告されてきた表現型の多くが合理化され、鉄欠乏のシュートから根へのシグナル伝達に関する新たな知見が得られた。
さらに、これらの必須遺伝子の非致死的変異は、鉄による作物のバイオフォーティフィケーションの新たな戦略を示唆している。
（以下は図の説明）
図1. エンドウ（Pisum sativum L.）のdglおよびbrz突然変異体は葉に鉄を過剰蓄積する。
(a）上部パネル： 野生型（WT）およびSparkle遺伝的背景を持つ変異体dglおよびbrzとして用いたエンドウ品種Sparkleの3週間令植物。
下のパネル： 変異体では黄変と褐色斑点が見られる。スケールバー＝1cm。
(b）5週齢の植物の葉片の鉄染色（青）。スケールバー＝2mm。
(c) 2週間間隔で測定した、完全に展開した第2葉の葉片中の鉄濃度（マイクロg/g乾燥重量）。
図2. dglはBRUTUSの小さなインフレーム欠失と関連している。
(a)dglの15-bpの欠失にまたがるプライマーを用いたPCR分析から、この欠失はほぼ同系の野生型Sp(Sp)品種にはなく、Dippes Gelbe (Sp)品種にもないことが示された。
また、突然変異誘発に最初に用いられたDippes Gelbe Viktoria (DGV)品種にも欠失は見られなかった。
(b）dgl変異はBRUTUSホモログをコードする遺伝子Psat1g036240のエクソン2に位置する。15bpのインフレーム欠失は、BRUTUSホモログをコードする遺伝子Psat1g036240のエクソン2に位置する。
(Q163TSLS)が欠失した。これはヘメリトリンに保存されている2つの鉄結合残基(赤で示したHとE)の近くである。
(c)Hr1ドメインのタンパク質モデル。二鉄中心の結合に関与する7つのリガンドのうち5つをマゼンタで示す。dgl
変異体では欠失した5個のアミノ酸が白色で描かれ、白い矢印で示されている。この欠失は鉄結合リガンドのうち2つを置換すると予測される。
図3. brzはOPT3の点突然変異と関連している。
(a)brz変異は以前、4番染色体の先端、表現型遺伝子座latとwasの間にマップされた（Ellis & Poyser, 2002; Kneen et al., 1990）。
クローン化された近傍の遺伝子座を使用して、〜450遺伝子の物理的間隔を得た。
(b)brz変異体は、オリゴペプチドトランスポーターOPT3をコードする遺伝子Psat4g003080のエクソン4にCからTへの変異があり、その結果、高度に保存されたロイシン466がフェニルアラニンに置換されている。
(c) Leu461（エンドウ豆OPT3のLeu466に相当、黄色矢印）を中心としたシロイヌナズナOPT3のAlphaFold2モデル。
図5. dgl（bts1）およびbrz（opt3）の表現型と、BTSおよびOPT3遺伝子の機能に関する現在の知識の統合。dgl変異体とbrz変異体は、以下の点で類似している。
dgl変異体とbrz変異体は、先に報告された接ぎ木実験によって示されたように、葉における鉄の過剰蓄積と、長距離シグナルを介した根における鉄の取り込みの調節不全において類似している。
しかし、
(a)ICP-OESで測定した種子中の鉄濃度と、
(b)Perls試薬を用いた葉脈中の鉄蓄積パターンでは、両変異体は異なっている。
スケールバー = 0.5 mm。
(c)突然変異体の表現型の根底にある推定メカニズム。
