令和5年10月12日

弄清兰花(兰花)依赖共生菌营养的发芽机理~使用发芽促进剂保护濒危物种~

概要 兰科植物1，目前已确认有近3万种，是被子植物中与菊科齐名的种类最多的群体之一。 由于其多样性的高度，迄今为止吸引了很多园艺家。 另一方面，兰科植物的种类很多，很难人工发芽和栽培，过度登山导致濒临灭绝的种类也不少。 鸟取大学农学部的三浦千裕研究员(日本学术振兴会特别研究员RPD )和上中弘典副教授、神户大学理学研究科的末次健司教授、琉球大学热带生物圈研究中心的濑尾光范教授(理化学研究所环境资源科学研究中心客座主管研究员)、基础生物学研究所的重信秀治教授、 千叶大学教育学部的大和政秀教授等人的研究小组发现，在兰科植物的发芽中，通过植物激素“赤霉素( GA ) 2”的失活，菌根共生所必需的基因会自动被活化(图1 )。 使用赤霉素的生物合成抑制剂作为发芽促进剂，有望保护濒临灭绝的兰科植物。 本研究成果于2023年9月30日在线刊登在美国植物生理学会刊《Plant Physiology》上。

图1研究成果概述 1 .研究成果要点 兰科植物在自然界发芽时，需要从共生的真菌(共生菌)中获取营养。 本研究发现，当兰科植物“希兰”人工萌发时，即使没有共生菌，共生所需的基因也会自动被激活。 并且表明通过抑制赤霉素的生物合成可以促进兰花的发芽及共生。 通过将赤霉素的生物合成抑制剂作为发芽促进剂加以利用，有望成为将迄今为止难以栽培的濒危物种人工发芽的技术。 2 .研究背景 植物激素“赤霉素”是作为促进种子发芽的物质，在高中生物教科书中也有记载的植物激素，但此前已知兰科植物的种子对赤霉素的敏感性很低。 兰科植物是从共生菌单方面接受营养生活的“菌从属营养植物(菌寄生植物) 3”的伙伴。 在兰花中，这种共生菌的寄生是从种子发芽的阶段开始的。 因此，即使是没有营养的种子，也可以通过共生菌获得养分来发芽。 由于这种特殊的发芽要求性，兰科植物中有很多难以人工发芽的物种，从育种和保护的观点来看成为了问题。 但是由于发芽机理不明，没有找到解决方法。 研究小组迄今已查明，兰科植物中常见的菌寄生机制与陆上植物根中常见的共生形态丛枝菌根共生机制相似。 根据过去的知识，已知丛枝菌根共生会被赤霉素抑制。 因此，在本研究中，赤霉素在兰花中失去了作为发芽促进物质的作用，通过被失活而使其在发芽阶段共生成立的假说下，以在分子水平上阐明发芽和共生同时发生的机制为目的。 3 .研究内容研究小组利用人工使兰科植物“希兰”发芽的系统进行了转录因子分析4，比较了无菌发芽时(无菌发芽)和共生发芽时(共生发芽)的基因表达模式。 结果表明，无菌发芽种子的基因表达模式与共生发芽时的模式非常相似(图2 )。 无菌萌发和共生萌发中共同增加了表达量的基因中，含有与赤霉素的生物合成相关的基因和共生所需的基因。 另外，在希兰的发芽中，惰性型的赤霉素明显增加。 以上结果表明，希兰在发芽时积极使赤霉素失活，在共生菌扎根之前就自动激活了共生所需的系统。 我们认为这个机制对于同时进行发芽和共生很重要。 另外，使用以赤霉素生物合成抑制剂为主成分的市售生长促进剂进行希兰无菌发芽试验时，发芽率明显上升(图3 )。 另外，赤霉素的生物合成抑制剂对其他野生兰花的发芽也有效。 这些结果有望与至今为止被认为很难人工发芽的兰花发芽、栽培的技术相联系。

图2转录分析结果 无菌发芽和共生发芽中表达发生变动的基因占全体的半数以上。

图3使用生长调节剂的发芽试验 使用以赤霉素生物合成抑制剂为主要成分的生长调节剂进行希兰发芽试验时，发芽率明显上升。 

  4 .今后的开展 至少在11科被子植物中获得了共生菌的寄生，已知会伴随着植物的各种性状的变化，例如光合能力的变化、种子尺寸的变化、共生菌的变化等。 因此，作为研究植物进化的材料，可以认为是很好的模型。 本研究表明，兰科植物通过协调原本是独立系统的萌发和共生，使其从萌发时就寄生于菌内的生活史成为可能。 期待本成果成为阐明从互利共生到寄生的进化过程的线索。 另外，本研究还表明，赤霉素的生物合成抑制剂作为兰花的发芽促进物质发挥作用。 赤霉素的生物合成抑制剂作为植物的生长调节剂在市场上销售。 该知识可以说是作为保护濒临灭绝的兰科植物的技术做出贡献的重要发现。 5 .刊登论文 作者: Chihiro Miura，Yuki Furui，Tatsuki Yamamoto，Yuri Kanno，Masaya Honjo，Katsushi Yamaguch，Kenji Suetsugu，Takahiro Yagame Kaminaka (三浦千裕、古井佑树、山本树稀、菅野裕理、本城真也、山口胜司、末次健司、谷龟高广、濑尾光范、重信秀治、大和政秀、上中弘典) 论文名称: auto-activation of mycorrhizal symbiosis signaling through gibber ellin deactivation in orchid seed germination (在兰花种子萌发中赤霉素的失活 刊: Plant Physiology (2023 ) ( https://doi.org/10.1093/pl phys/kiad 517 ) 6 .其他 本研究是在“日本学术振兴会科学研究费资助事业”、“鸟取县环境学术研究等振兴事业”、“基础生物学研究所共同利用研究”、“日本学术振兴会特别研究员制度”的支持下实施的。 【用语】 1兰科植物:由736属组成的约28，000种多样性单子叶植物的群体，据说全部在发芽中寄生于菌中。 作为共生菌的伴侣，主要鉴定了属于立克次体的真菌或外生菌根菌。 由于立枯菌是具有分解落叶和枯木等腐生能力的腐生菌，兰科植物可以说是通过共生菌从落叶和枯木中摄取营养的。 能够独立生存的腐朽菌为什么会与兰科植物共生并被剥削营养，目前尚不清楚。 2赤霉素( GA ) :二萜类植物激素，对植物生长发育具有重要作用。 在发芽中，赤霉素激活淀粉酶的生物合成，产生生长的能量，淀粉酶是分解胚乳中蓄积的淀粉的酶。 3菌从属营养植物:又称菌寄生植物。 70%以上的陆地植物将通过光合作用固定的碳传递给与根共生的丛枝菌根菌，取而代之的是获得磷等矿物质，从而构筑了互利共生的关系。 另一方面，菌属营养植物可以从共生菌中同时接收碳源和矿物质。 兰科植物种子完全不含胚乳，不积累萌发所需的营养，因此依靠共生菌养分萌发(至少在萌发阶段表现出菌属营养性)。 由于对植物本身具有分解动植物尸体能力的误解，曾被称为腐生植物。 4转录本分析:测量对象生物种类的细胞、组织内存在的所有基因转录产物( mRNA )的量的技术。 本研究采用RNA序列方法进行转录分析。 该方法在能够将迄今为止研究案例较少、也没有基因组信息的非模型生物作为分析对象方面具有优势。 【咨询方式】 <研究内容> 鸟取大学农学部生命环境农学系副教授上中弘典tel:0857-31-5378 e-mail:kamin aka @ tottori-u.AC.jp <新闻发言人> 鸟取大学总务企划部总务企划科宣传企划室 tel:[phone] e-mail:ge-kou Hou @ ml.ADM.tottori-u.AC.jp 神户大学总务部宣传科 tel:[phone] e-mail:PPR-kouhoushitsu @ office.Kobe-u.AC.jp 琉球大学总务科宣传系 tel:[phone] e-mail:koho koho @ ACS.u-Ryukyu.AC.jp 千叶大学宣传室 tel:[phone] e-mail:koho-press @ chiba-u.jp 基础生物学研究所宣传室 tel:[phone] e-mail:press @ nibb.AC.jp 理化研究所宣传室新闻发言人 tel:[phone] e-mail:ex-press @ ml.riken.jp