植物工場における作物の品質向上を目指した、ムギネ酸類・ニコチアナミン分泌を介した鉄移行と鉄恒常性維持の分子メカニズムの解明

1＜設立 30 周年記念研究助成（平成 27 年度助成）＞

植物工場における作物の品質向上を目指した、ムギネ酸類・ニコチアナミン分泌を介した鉄移行と鉄恒常性維持の分子メカニズムの解明
野副朋子（明治学院大学 教養教育センター、東京大学大学院 農学生命科学研究科）

１．はじめに植物体内における機能は未知のままであったため解析 を 行 っ た（Nozoye et al ., 2019）。 プ ロ モ ー タ ー

現在「植物工場」の開発が盛んに進められている。

GUS 解析により、ENA1 遺伝子は鉄欠乏の根で主に植物工場では植物の栽培は主に水耕栽培で行われて発現することが示された。また、根と地上部を連結いるが、水耕液の成分や栽培条件がどのように作物する茎葉の基部において ENA1 遺伝子の発現が見らの栄養に影響を与えるのかはまだ明らかになっていれ、その発現は鉄欠乏により誘導された。ENA1 とない部分が多く残されている。鉄や亜鉛などのミネGFP の融合タンパク質は、タマネギの表皮細胞とイラル栄養素は全ての生物にとって必須な元素であネの根細胞のいずれにおいても、主に細胞膜に局在る。イネやトウモロコシなどの主要な穀類の属するした（図 1A）。一部の蛍光は細胞質の顆粒状構造にイネ科植物は、鉄を土壌から獲得するために、三価局在した（図 1B）。ENA1 過剰発現イネおよび ena1鉄キレーターであるムギネ酸類を根から根圏へ分泌欠損イネの表現型を観察した。発芽初期に、ENA1し、三価鉄をキレートして可溶化し、三価鉄・ムギ過剰発現イネの根は、非形質転換体と ena1 欠損イネ酸類錯体として鉄を獲得する。ムギネ酸類はそのネに比べて、顕著に短く、多数の根毛を形成した。

前駆物質であるニコチアナミン（NA）とともに、鉄だけでなく亜鉛や銅、マンガンなどの植物体内における移行も担うことが示されている。植物体内におけるムギネ酸類や NA の移行モデルを構築し、植物工場における水耕栽培での肥料投与方法等に応用することで、作物の根からのミネラル栄養素の吸収効率や可食部への移行効率の改善につながると期待される。本研究は、ムギネ酸類および NA 分泌の分子機構を解明し、植物におけるムギネ酸類や NA を介した鉄移行、鉄恒常性維持機構を分子レベルで理解することを目指した。

２． イ ネ NA 排 出 型 ト ラ ン ス ポ ー タ ー Efflux
transporter of NA 1（ENA1）は細胞内のプラスチドへの NA の輸送に関わる
ENA1 は細胞内から NA を放出する活性を有していることが示されていたが（Nozoye et al ., 2011）、

図1

タマネギの表皮細胞（A）、イネの根細胞（B）におけるENA1-GFP 融合タンパク質の細胞

2

浦上財団研究報告書

Vol.28（2021）

この表現型は成長するとともに消失した。オリゴDNA マイクロアレイ解析により、ena1 欠損イネにおいて、非形質転換体に比べて発現の変動しているABCD

ena1 欠損イネでは、遺伝子を抽出して解析を行った。
細胞内小胞輸送と根のプラスチドに関わる遺伝子群の発現が変動していた。また、鉄十分条件で生育した ena1 欠損イネは鉄欠乏誘導性遺伝子の発現が誘導されており、鉄欠乏条件では鉄欠乏誘導性遺伝子の発現が非形質転換体に比べて減少していた。以上の事から、ENA1 は細胞膜と細胞内の画分の間を小胞輸送によりリサイクリングしていること、ENA1の機能が鉄恒常性維持に関与している可能性が示唆された。
ムギネ酸類や NA が細胞内のどこで合成されてい図2るのかは解明されていない。しかし、鉄欠乏の根で特異的に観察される粗面小胞体由来の小胞（ムギネ

高 NA 含有サツマイモ（A, C）と非形質転換サツマイモ（B, D）の解析。石灰質土壌で生育したサツマイモ（A,B）とイモの鉄染色（C, D）

酸顆粒）がムギネ酸類や NA の合成に関与しているした（図 2A, B）。サツマイモのイモの鉄染色を行っ可能性が示唆されている。ENA1 とムギネ酸顆粒のた結果、鉄含量と一致して、形質転換体では非形質解析により、植物体内の金属の移行および恒常性維転換体に比べ全体的に濃い染色が観察された（図持機構の一端を明らかにできると考えられた。

2C, D）。
また、染色はスポット上に見られたことから、鉄は維管束部を介してイモに輸送されていることが３．NA 含 量 の 向 上 に よ り サ ツ マ イ モ の 鉄 欠乏耐性能が増強した示唆された。以上の結果から、植物工場においてもNA 含量を高めることで作物の鉄含量の向上が可能になると示唆された。

サツマイモは、やせた土地でもよく育つため救荒作物とも呼ばれ、イモとして食用にする以外にデンプン生産に利用されるため、アルコール発酵を経由したバイオ燃料の資材としても極めて有用である。
本研究では、オオムギのニコチアナミン合成酵素遺４．ムギネ酸類の付与でバイオエネルギー 作
物エリアンサスの鉄欠乏耐性能が向上する

伝子 HvNAS1 を高発現するサツマイモをアグロバク

エ リ ア ン サ ス Erianthus ravennae (L.) Beauv. (E.

テリウム形質転換法により作出した（Nozoye et al .,ravennae ) は、高乾物収量のイネ科植物であり、低肥2016）。形質転換サツマイモの葉の NA 含量は非形料投入の高バイオマスエネルギー作物として利用し質転換体の 8 倍に高まった。さらに可食部であるイうる。エリアンサスのような高乾物収量のバイオマ

モにおいても NA 含量は非形質転換体の 3 倍に高スエネルギー作物に鉄欠乏耐性能を付与し、石灰質まった。HvNAS1 の発現量と NA 含量は正の相関を土壌における生産量を増加することができれば、地示した。サツマイモの鉄含量は非形質転換体の 3 倍球温暖化などの環境問題の解決に有効である。本研に高まり、亜鉛含量も 2.9 倍に高まった。さらに、

究では、水耕栽培において、オオムギのムギネ酸合

これらのサツマイモは、鉄溶解度の低い石灰質土壌成酵素を導入した形質転換イネとの混植により、エにおいて、非形質転換体よりも高い鉄欠乏耐性を示

リアンサスの生育は単独で生育した場合に比べて改植物工場における作物の品質向上を目指した、
ムギネ酸類・ニコチアナミン分泌を介した鉄移行と鉄恒常性維持の分子メカニズムの解明

図33

エリアンサスと高ムギネ酸分泌イネの混植実験善することを見出した（図 3、Nozoye et al., 2017）。

る水耕栽培方法はまだ改良の必要があると考えられ形質転換イネから分泌されたムギネ酸が加わることた。作物の金属栄養素の含有量は、文部科学省が開により、水耕液中のムギネ酸類の量が増加した結果、発した日本食品標準成分表等に記載されている。しエリアンサスの鉄欠乏が回避されたと考えられた。

かしながら、栽培地や気象条件等に影響を受けるた

以上の結果から、根圏におけるムギネ酸類の存在量め、必ずしも一定でないと考えられる。植物工場のを増大させることにより作物の鉄欠乏耐性能を向上

利点の一つとして、栽培環境を一定に管理できるたできることが示唆された。

め、金属栄養素の含量や収量のバラつきが少ないことが挙げられる。しかしながら、実際の金属栄養素

５．小規模植物工場 における 作物の 栄養価の評価を測定した報告は少ない。そこで、本研究では小規模植物工場で栽培されている野菜の金属栄養素含量およびニコチアナミン（NA）含量の測定を行った

報告者は 2017 年度の 1 年間、主にドイツでの在（図 4）。供試作物は植物工場で栽培されることの多外研究を行う機会をえた。欧州では日本よりも菜食いフリルレタス、コスレタス、サラダナ、コマツナ、主義やビーガンの数が多く、専用のメニューや食材ミズナ、カラシナを用いた。また対象としてスーパーが一般的に普及していた。菜食主義やビーガンは健で購入したフリルレタスを用いた。鉄、銅、亜鉛、康維持に必要な栄養価が十分に取れないことが指摘

マンガンの含有量はそれぞれ乾物重当たり 64.8-されており、今後野菜の栄養価の向上がますます求

112.3、5.3-10.9、25.2-91.5、55.0-268.0μg/g Dryめられると考えられた。また、オランダの植物工場Weight（DW）であった（図 4A）。フリルレタスでを視察する機会も得た。オランダでは現場のニーズは植物工場栽培のものとスーパーのもので大幅に金に対応した研究開発が進められており、開発された属含量が異なることはなかった。一方で、生重量に植物工場の技術や製品がすぐに消費者へ届けられるは大きな違いがあったことから、植物工場での生育システムが発達していると感じた。視察した植物工に改善の余地があると考えられた（図 4B）。また、場では作物の「鉄欠乏」が問題となっている現状を鉄含量について日本食品標準成分表に記載されてい目の当たりにした。世界的にみても植物工場におけるものと比較した（図 4C, D）。日本食品標準成分表

4

浦上財団研究報告書

図4Vol.28（2021）

小型植物工場において栽培した作物の金属含量で示されている鉄含量は本研究で得られたものに比おいても混植によって作物の鉄欠乏を回避する栽培べて大幅に低いことから、乾物重当たりではなく生方法が行われている。例えば中国ではピーナッツの重量当たりの金属含量を算出していると推定され近隣にトウモロコシを植えることでピーナッツの鉄た。日本食品成分表ではレタスやコスレタスの金属利用効率を向上している。またイタリアではブドウ含量はそれ以外の作物に比べて鉄含量が低いとされの近隣にイネ科牧草を植えることでブドウの鉄利用ているが、本研究で測定した鉄含量はそのような違効率を向上している。水耕栽培においてもイネ科植いは見られなかった。レタスは水分含量が多いため物が根から分泌するムギネ酸類により、混植栽培さに生重量当たりの金属含量が低く算出されているとれる他の作物の鉄利用効率が向上する（図 3）。そこ考えられた。さらにフリルレタスの可食部（地上部）

で本研究では、フリルレタス、サラダナ、コスレタ

より NA を熱水抽出して、高速液体クロマトグラフィ

スと、ムギネ酸類分泌量の多いことの示されているにより測定した。フリルレタスの NA 含量は約 744

オオムギとの混植を行った（図 4E, F）。オオムギとμg/g FW であった。の混植により、フリルレタス、サラダナ、コスレタ

報告者がオランダで視察した植物工場では作物のスのいずれも生重量が減少した（図 4E）。また、鉄鉄欠乏が問題となっていた。鉄は豊富に存在しても含量は混植により減少する傾向が見られた（図 4F）。

通常の水耕栽培条件下では水に溶けにくい難溶性三この傾向は亜鉛、銅、マンガンについても同様だっ価鉄になるため植物は利用できない。実際の農地にた。混植によりオオムギが根から養分を吸収するこ

植物工場における作物の品質向上を目指した、
ムギネ酸類・ニコチアナミン分泌を介した鉄移行と鉄恒常性維持の分子メカニズムの解明とで、フリルレタス、サラダナ、コスレタスの栄養謝

5辞分が取られてしまったと考えられた。今後、フリル

本研究の遂行にあたり研究助成を賜りました公益

レタス、サラダナ、コスレタスの栄養分吸収を阻害

財団法人 浦上財団・食文化振興財団と財団関係者のすることなく混植の利点を得られる栽培条件を検討

皆様に深く感謝いたします。また、本研究におけるする必要がある。

植物工場の栽培の場を提供し、作物の栽培にご協力いただいた大和ハウス工業（株）の皆様に御礼申し

おわりに
近年、地球温暖化によりこれまでにない豪雨や干ばつ、病害虫の大発生が生じ、安定的な収量を維持することが困難になりつつある。日本では作物の自給率は低く、大部分の作物を輸入により賄っている。
さらに、農業に従事する人の高齢化が進行し、農業に従事する若手も減少しており、今後さらに作物自給率は悪化すると考えられる。一方で、現在世界でパンデミックとなっているコロナウイルスの影響で海外渡航が規制されている。同様の影響で作物も輸入や流通を制限せざるを得ない状況が起きる可能性がある。日本で特に人口の多い都市部において作物を簡便に安定して供給する農業形態の開発が必須である。植物工場は、土壌を用いず、地球環境の変化に左右されない人工的に制御された環境で作物を生産できる。これまでに廃工場を植物工場に再利用するなどのプロジェクトが行われてきた。しかしながら、農地で栽培された作物に比べると単価が高くなり、採算が取れないことが問題となってきた。植物工場を用いて都市部の路地やビルの一角で収量の高い作物を生産し流通できれば、持続可能な農業の新しい形態を構築できる。本研究をさらに発展させることで、植物工場において栽培する作物の金属栄養の向上を目指していきたいと考えている。

上げます。
参考文献

1) T. Nozoye, S. Nagasaka, T. Kobayashi, M. Takahashi,
Y. S a t o , N . U o z u m i , N . K . N i s h i z a w a , 2 0 1 1 .
Phytosiderophore efflux transporters are crucial foriron acquisition in graminaceous plants. J. Biol.
Chem., 18, 5546-5554.
2) T. Nozoye, M. Otani, T. Senoura, H. Nakanishi, N.K.
Nishizawa, “Overexpression of barley nicotianaminesynthase 1 confers tolerance in the sweet potato toiron deficiency in calcareous soil.” Plant and Soil,
418: 75-88.
3) T. Nozoye, M. Aung, H. Masuda, H. Nakanishi, N.K.
Nishizawa, “Bioenergy grass [Erianthus ravennae (L.)
Beauv.] secretes two members of mugineic acidfamily phytosiderophores which involved in theirtolerance to Fe deficiency.” Soil Science and Plant
Nutrition, 63: 543-552., 20174) T. Nozoye, “The Nicotianamine Synthase Gene Is a
Useful Candidate for Improving the Nutritional
Qualities and Fe-Deficiency Tolerance of VariousCrops.” Front Plant Sci., 27; 9 : 340. doi: 10.3389/fpls.2018.00340., 2018.
5) T. Kobayashi, T. Nozoye, NK. Nishizawa, “Irontransport and its regulation in plants.” Free Radic
Biol Med., pii: S0891-5849(18)32257-3. doi:
10.1016/j.freeradbiomed.2018.10.439., 20186) Nozoye, T., von Wirén, N., Sato, Y., Higashiyama, T.,
Nakanishi, H. and Nishizawa, N.K., “Characterizationof the nicotianamine exporter ENA1 in rice”
Front Plant Sci., 10; 506: 1-17. doi: 10.3389/
fpls.2019.00502, 2019.

6

浦上財団研究報告書

Vol.28（2021）

Study of the molecular mechanism of Iron transport and homeostasis via
the secretion of mugineic acid family phytosiderophores and nicotianamine,with the aim of increasing plant factory crop quality
Tomoko NOZOYECenter for Liberal Arts, Meiji Gakuin University
Department of Global Agricultural Sciences, The University of Tokyo
A plant factory has the ability to constantly produce crops under controlledconditions. Recently, it has become difficult to maintain constant crop production
due to unexpected conditions involving excessive rain, drought, outbreaks ofinsects, and other conditions. Especially in Japan, the self-sufficiency rate ofcrops is low, and agricultural production is declining. Accordingly, it is necessary
to determine the most productive growth conditions for crops in a plant factory,
i n o r d e r t o i n c r e a s e p r o d u c t i o n . I n a p l a n t f a c t o r y, c r o p s a r e g r o w nhydroponically. Iron (Fe) is an essential micronutrient for all living organisms. Fe
is a transition metal, and forms both soluble ferric and insoluble ferrous forms.
Under hydroponic conditions, Fe easily adopts the insoluble form. As plants areunable to uptake insoluble Fe, Fe deficiency is problematic for crops in a plantfactory.
The mugineic acid family phytosiderophores (MAs) and nicotianamine (NA) are
Fe chelators that are biosynthesized by plants. It has been speculated that MAsand NA are involved in Fe translocation in plants to maintain Fe homeostasis.
However, the underlying molecular mechanism remains largely unknown. In thisstudy, it was revealed that the TOM and ENA family, which are efflux transportersof MAs and NA, are involved in Fe translocation in plants. It was shown that anincrease of NA content conferred tolerance to Fe deficiency in several crops. In
addition, it was also shown that a supply of MAs from the roots of crops
improved Fe homeostasis in other plants located nearby. It is expected that
ensuring an adequate supply of MAs and NA will improve Fe homeostasis incrops in plant factories.