根の成長方向を制御することで作物を守り、気候変動を緩和できる可能性がある

根の成長方向を制御することで作物を守り、気候変動を緩和できる可能性がある

ソークの科学者は、高度に保存されたエチレンシグナル伝達経路を標的にして根の成長方向を制御できることを発見し、その結果、炭素を保持し、大気から二酸化炭素を除去するより深い根系を作り出すことができることを発見した。

ラホーヤ—地上では、植物が太陽に向かって伸びています。地下では、植物が地面をトンネルします。根は周囲の土壌から水と栄養素を吸収すると、成長して伸びて、独特の根系構造を発達させます。根系の構造によって、根が浅い土壌層に留まるか、より急に成長してより深い土壌層に到達するかが決まります。根系は植物の生存と生産性の中心であり、植物が栄養素と水にアクセスできるかどうかを決定し、したがって植物が栄養素の枯渇や干ばつのような異常気象に耐える能力を決定します。

今回、ソークの科学者らは、よく知られた植物ホルモンが根の成長角度の制御にどのように重要であるかを解明した。この研究は、 セルレポート 13年2024月XNUMX日の研究では、エチレンと呼ばれるホルモンが根系を形成する根の側方角度の調節に関与していることが初めて示され、この発見は根系を最適化する植物科学者にとって新たな発見となった。

の研究者 ソークの植物利用イニシアチブ 彼らは現在、気候変動や干ばつの環境ストレスに耐えられる植物や作物を遺伝子操作し、大気から二酸化炭素を除去して地下深くに貯蔵して気候変動を緩和する取り組みの中で、エチレンシグナル伝達経路を標的にする計画を立てている。

「根が深いと、土壌中の炭素貯蔵がより耐久性に優れ、植物が干ばつに対してより耐性を持つことができます。そのため、根の深さの成長を制御できる機能は、より優れた根系を設計しようとしている科学者にとって非常に興味深いものです」と上級著者は述べています。 ウルフギャングブッシュ、教授、Harnessing Plants Initiativeのエグゼクティブディレクター、およびソーク大学の植物科学のヘス議長。 「私たちが発見した経路が多くの種類の植物にわたって保存されていることを特に嬉しく思います。これは、私たちの発見が、食料、飼料、燃料作物を含むすべての陸上植物の根の構造を最適化するために広く適用できることを意味します。」

平均降水量や特定の栄養素の豊富さなどの環境要因は、植物の根系の形状に影響を与える可能性があります。根が成長する角度は、全体的な根の構造に異なる結果をもたらします。水平な根の角度はより浅い根系を作成し、垂直な根の角度はより深い根系を作成します。しかし科学者たちは、これらの根の角度が分子レベルでどのように決定されるのかを明確に理解していませんでした。

オーキシンやサイトカイニンなどの植物ホルモンは、これまで根の成長角度と関係していましたが、その関係のメカニズムはまだ十分に理解されていませんでした。根の成長角度の設定に関与する分子と経路を探索する際に、チームは遺伝子スクリーニングを行った。 シロイヌナズナカラシ科の小さな花を咲かせる雑草で、数千の分子に反応して根系が変化します。

「私たちは、メベンダゾールと呼ばれるこの分子が根をより水平に成長させていることに気づきました」と筆頭著者でブッシュ研究室の元博士研究員ウェンロン・ヘ氏は言う。私たちは、それがエチレンのシグナル伝達であることを発見しました。そして、エチレンが根系の構造においてこれほど重要な役割を果たしているのは、本当に興味深いものでした。」

研究チームは、エチレンシグナル伝達経路全体の遺伝子がメベンダゾールに応答して活性化され、その結果、この経路が根の成長に変化をもたらしていることを観察した。この関係の生化学的研究により、メベンダゾールが CTR1 と呼ばれるプロテインキナーゼの活性を阻害することが明らかになりました。この酵素はエチレンシグナル伝達を負に制御し、その結果、浅い根系を促進します。

「エチレンシグナル伝達は陸上植物で広く保存されているプロセスであるため、エチレン経路を標的とすることは根系工学にとって非常に有望な技術です」とブッシュ氏は言う。 「このツールを使って作物の種の回復力を高め、より多くの炭素を地下に隔離して気候変動との戦いを支援するソーク・アイデアル・プランツ®を作成できるようになることを願っています。」

根系の構造におけるエチレンの関係が新たに発見されたことは、メベンダゾールとは異なり、根系をより深くする別の分子が存在するのかどうか、あるいはすでに十分にカタログ化されているエチレンシグナル伝達経路に最も効果的に標的化できる特定の遺伝子があるのか​​どうかなど、新たな疑問を引き起こしている。作物やソーク理想植物のより深い根を促進します。

他の著者には、Hai An Truong、Ling Zhang、Min Cao、およびソークの Kaizhen Zhong が含まれます。カリフォルニア大学サンディエゴ校のニール・アラカワ氏。スクリップス研究所のヤオ・シャオ氏。カリフォルニア大学リバーサイド校と中国の上海交通大学のインナン・ホウ氏。

この研究は、ソークの植物利用イニシアティブ、ソーク女性と科学特別賞、パイオニア基金博士研究員賞、国立衛生研究所 (NIH-NCI CCSG: P30 CA01495、NIH-NIA サンディエゴ ネイサン ショック センター P30 AG068635) によって支援されました。 、チャップマン財団、ヘルムズリー慈善信託。

DOI： https://doi.org/10.1016/j.celrep.2024.113763