フェリチンを介した鉄恒常性と細菌相の変化がソルガムの干ばつ適応を支える
フェリチンを介した鉄恒常性と細菌相の変化がソルガムの干ばつ適応を支える
Ferritin-mediated iron homeostasis and bacterial shifts underpin drought adaptation in sorghum
Ahmad H. Kabir, Philip Brailey-Crane, Mostafa Abdelrahman, Jean Legeay, Bulbul Ahmed, Lam-Son Phan Tran, Jeffrey L. Bennetzen
School of Sciences, University of Louisiana at Monroe, LA 71209, USA
Department of Genetics, University of Georgia, Athens, GA 30602, USA
Institute of Genomics for Crop Abiotic Stress Tolerance, Department of Plant and Soil Science, Texas Tech University, TX 79409, USA
African Genome Center, University Mohamed VI Polytechnic (UM6P), Ben Guerir 43150, Morocco
bioRxiv preprint doi: https://doi.org/10.1101/2024.07.19.604343;
要旨
干ばつストレスはソルガムの成長と微生物相互作用を著しく阻害する。本研究は干ばつ下におけるソルガムの転写および微生物の変化を解明し、水分不足への主要な適応機構を明らかにした。LC-MS（液体クロマトグラフィー-質量分析）解析により、干ばつストレスがソルガム根においてアブシジン酸を誘導し、ジャスモン酸レベルを著しく低下させることが判明した。これは干ばつ時の資源保全戦略によるものと考えられる。
転写再プログラム化により、根部において以下の遺伝子発現が上昇した：
・ミネラル恒常性関連（フェリチン1、鉄デヒドロゲナーゼ、硝酸輸送体1）
・ホルモンシグナル伝達関連（エチレン不応答性タンパク質3、ジベレリン2-オキシダーゼ）
・浸透圧調節関連（アクアポリン、デヒドリン）の遺伝子発現が上昇し、栄養吸収・酸化還元状態・細胞膨圧維持への適応応答が示された。
鉄補給植物では、根部鉄濃度上昇がフェリチン1発現増加・植物健康改善・フェントン反応速度低下・H２O２濃度低減と相関。これはフェリチンがソルガムの干ばつ下酸化ストレス軽減に寄与することを示唆する。
干ばつは根関連細菌の多様性と種数を減少させた一方で、バークホルデリア属、カバジェロニア属、パラバークホルデリア属など干ばつ耐性関連属を増加させた。これらはオーキシン産生、リン酸可溶化、シデロフォアを介した鉄獲得により植物成長を促進することが知られている。対照的に、菌類の多様性と種数は変化せず、タラロマイセス属が優勢種であり、干ばつ下では統計的に有意でない増加を示した。
ランダムフォレストモデルは菌類の機能的予測因子を特定できなかったが、干ばつ下での細菌機能群の変化を明らかにした。光合成栄養、メチルトロフィー、硝酸塩還元が豊かになり、これらは栄養循環とソルガムの干ばつ適応における微生物の役割を強調する特性である。
本研究は、フェリチンの役割と、ソルガムの干ばつ耐性を高める可能性のある細菌性バイオ接種剤に関する知見を提供する。
今後の研究では、これらの知見を検証し、干ばつ耐性ソルガムと気候変動に強い農業のための育種プログラムやバイオ肥料の配合に統合すべきである。
図7. 干ばつに曝露されたソルガムにおけるホルモン調節、トランスクリプトームおよびマイクロバイオーム動態の変化、干ばつストレスはアブシジン酸（ABA）レベルを上昇させ、アクアポリンおよびデヒドリンの誘導による浸透圧調節を引き起こす。同時に、ジャスモン酸 (JA)レベルは抑制される。これはABAとの拮抗作用による可能性がある。さらに、Fe補給はフェリチン1の誘導を促進し、フェントン反応を介した活性酸素種（ROS）を減少させることで干ばつ耐性を誘導する。干ばつ応答として、共生および栄養関連プロセスがupregulate される。これは以下のような遺伝子の誘導によって示される：
フェニルアラニンアンモニアリアーゼ、イソフラボノイド合成酵素、カルコン-フラボノンイソメラーゼ（共生関連）、ならびにフェリチン1、Feデヒドロゲナーゼ、硝酸塩輸送体1 （栄養獲得関連）などの遺伝子の誘導が証明している。
ブルクホルデリア・カバレロニア・パラブルクホルデリア属などの種を含む根の微生物叢は、栄養吸収とストレス耐性を支えることで、これらの適応応答に寄与している可能性がある。
図７