合成ファイトシデロフォアproline-2′-deoxymugineic acid の金属イオン結合の安定度
合成ファイトシデロフォアproline-2′-deoxymugineic acid の金属イオン結合の安定度
Stability of metal ion complexes with the synthetic phytosiderophore proline-2′-deoxymugineic acid
Anna Evers North Carolina State University
Jackson Kohn North Carolina State University
Oliver Baars North Carolina State University
James M. Harrington RTI International
Kosuke Namba Tokushima University
Owen W. Duckworth North Carolina State University
Posted Date: June 24th, 2024 DOI: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-4534950/v1
Biometals 2024 in press
要旨
作物中の微量栄養素の濃度が十分であることは、人間の健康と農業生産性にとって不可欠である。しかし、世界の耕作土壌の30%は鉄が欠乏している。微量栄養素の生物学的利用能が低いため、イネ科植物はファイトシデロフォアと呼ばれる低分子を環境中に放出するように進化してきた。合成フィトシデロフォアであるプロリン-2'-デオキシムゲン酸（PDMA）の導入は、イネ植物における鉄の取り込みを促進することが示されている。しかし、他の金属との結合能は不明であり、土壌中に一般的に存在する鉄や他の微量栄養素金属の取り込みを促進する能力に影響を及ぼす可能性がある。我々は、Mn(II)、Co(II)、Cu(II)、Ni(II)、Zn(II)とPDMA錯体の安定定数（logβ）を測定するために分光光度滴定を行った。その結果、PDMA錯体の安定定数には次のような相関があることがわかった： (1)錯体中の金属イオンの加水分解定数（logβOH）、(2)錯体化した金属のイオンポテンシャル、(3)他のムギネ酸型植物性シデロフォアおよびトリスヒドロキサメート微生物性シデロフォアDFOBの対応する錯体安定定数。これらの相関は、異なる性質と潜在的に異なる配位構造を持つ金属イオンとフィトシデロフォアの複合体の安定性を予測する能力の可能性と限界を示すものである。
はじめに
Mn、Fe、Co、Ni、Cu、およびZnを含む必須微量金属は、植物およびヒトに必要とされ、その主な理由は、適切な代謝機能に必要な金属酵素に使用されるためである（Alloway 2008, Alloway 2013）。ヒトの場合、欠乏した土壌で栽培された作物の食事中の微量栄養素濃度が不十分であると、カロリーを十分に摂取しているにもかかわらず栄養所要量が適切に満たされない「隠れた飢餓」の原因となる（Muthayya et al.） 現在、世界中で耕作されている土壌の約30%で鉄が不足し、主食用穀物（小麦、トウモロコシ、大麦、コメ）を栽培している土壌の50%で亜鉛が不足しており、農業収量と栄養価の大幅な低下につながるとともに、クロロシスやその他の発育不良に対する作物の感受性が高まっている（Das 2014; Alloway 2013）。栄養素の欠乏は、微量金属栄養素の生物学的利用可能なプールへの溶解を妨げる不溶性など、いくつかの問題に起因する可能性がある。近年の農学的進歩により、栄養素の欠乏を防ぐために主食作物を「バイオフォート化」する取り組みが増加している（Khush et al.）
生物学的利用能の低い必須栄養素の取り込みを促進するため、イネ科植物や多くの細菌・真菌類は、微量金属欠乏ストレスを経験すると、低分子量の有機リガンド（メタロフォア）を滲出する能力を発達させてきた（Schenkeveld et al.） メタロフォアの中で最も広く認識されているのはシデロフォア（ギリシャ語の「鉄の運び屋」から）で、鉄（III）に対して大きな結合親和性を持つ構造的に幅広い分子群であるが、他の元素とも結合し、生物地球化学的循環に影響を与えることが示されている（Treeby, Marschner, and Römheld 1989; Kraemer et al.） シデロフォアは一旦滲出すると、親和性の高い可溶性錯体を形成することで、溶解度の低い土壌鉱物から生物学的に利用可能なプールへと金属陽イオンを動員することができる（Treeby, Marschner et al. 1989, Dhungana and Crumbliss 2005）。
2′-デオキシムギニン酸（DMA）は、植物が分泌するα-ヒドロキシカルボン酸シデロフォアのサブクラスであるフィトシデロフォアであり（図1）、金属欠乏ストレス時にイネから分泌され、多くの微量金属栄養塩と効果的に結合することが示されている（Sugiuraら、1981；Dell'mourら、2010；Schenkeveldら、2014；Suzukiら、2021）。合成DMAは微量金属との結合親和性が高いため、幅広い農業環境、特に地球の総面積の約3分の1を占めるような栄養分の乏しい土壌において、栄養分の利用率を高める土壌改良材として試験されてきた（Kraemer, Crowley, and Kretzschmar 2006）。しかし、DMAには高度に歪んだ4員環アゼチジンが含まれており、これがこの分子の相対的不安定性の一因となっている（Suzuki et al.2021）。最近、より安定な合成DMA類似体であるプロリン2′-デオキシムギネ酸（PDMA；図1）が開発され、Fe3+と同等の結合親和性を示した（Suzukiら、2021）。DMAの歪んだ4員環のアゼチジン環をPDMAの5員環のピロリジン環に置き換えることで、合成コストと微生物分解に対する感受性が低減された（Suzukiら、2021）。
予備的な室内実験では、PDMAはDMAと同様の効率で鉄（III）を動員できることが示されているが、PDMAが他の微量金属栄養塩とどのように相互作用するかについてはあまり知られていない（Suzuki et al.） 自然の根圏生態系におけるシデロフォアの動態を直接観察し、正確に測定することは、高分解能のin situ技術が利用しにくいことと、自然の土壌基質が複雑であることから困難である (Northover et al. 2022)。その結果、微量金属の獲得と輸送の研究には、実験室での実験と地球化学モデルが一般的に用いられている（Di Bonito, Lofts, and Groenberg 2018）。しかし、これらのモデルは、土壌環境におけるシデロフォアの挙動を反映するために正確な熱力学パラメータを必要とする。本研究の目的は以下の通りである： (1) 分光光度滴定法を用いて、Mn(II)、Co(II)、Ni(II)、Cu(II)、Zn(II)とPDMAの安定定数を定量すること、(2) 他の金属-シデロフォア錯体の既知の安定定数と値を比較することであり、これにより金属-フィトシデロフォア錯体の形成と環境中の運命に関する知見を得ることができる。この結果は、微量金属肥料としてのPDMAの潜在的な有効性と、微量金属の生物地球化学への影響をさらに理解する上で極めて重要である。
結論と含意
本研究の結果、電位差滴定および分光光度滴定により、合成ムギネ酸誘導体シデロフォアPDMAと金属イオンMn(II)、Co(II)、Ni(II)、Cu(II)、およびZn(II)との安定定数が決定された。分光光度シフトが観察され、pHが上昇するにつれてリガンドが脱プロトン化し、金属錯体と結合していることを示唆した。加水分解定数と金属イオンのイオン電位は、PDMAとの安定定数の予測因子として使用できる。安定性定数は、他のムギネ酸型植物性シデロフォアやトリスヒドロキサメート微生物DFOBの安定性定数に対しても回帰され、これらのシデロフォアに関する既知の定数も、異なる金属との異なる配位化学的性質に関連する特定の注意点や制限を伴う予測因子として機能しうることが示された。異なる微量栄養素とのPDMAの安定性を見積もることができれば、PDMAの肥料としての可能性を予測することができ、一方、複数の金属陽イオンとの見積もりは、汚染物質浄化シナリオにおける妥当性を予測することができる。
2価金属ーPDMAの安定度定数