植物と窒素固定細菌の根粒共生を制御するマスター因子の分子進化を解明

マメ科など一部の植物は、根に根粒と呼ばれる器官を形成して微生物（窒素固定細菌）を感染させ、共生関係を築いています。この「根粒共生」により、植物は細菌から窒素栄養を受け取る一方、細菌には光合成産物をエネルギー源として提供しています。この仕組みの分子基盤の解明は、基礎生物学と農業への応用の両面から極めて重要です。

根粒共生の成立には、NODULE INCEPTION（NIN）と呼ばれるたんぱく質（転写因子）が不可欠です。これまでの研究で、NINは根粒の形成、根粒内部への微生物の感染、共生窒素固定（微生物が窒素を、植物が利用できるアンモニアに変換すること）に至る一連の過程で、遺伝子の働きを統括するマスター制御因子として機能することが分かっています。しかし、植物が進化する過程で、NINがどのようにして近縁の転写因子とは異なる、共生に特化した機能を獲得したのかは不明でした。

本研究では、マメ科植物ミヤコグサおよびその分子を用いて、NINが近縁のNIN-LIKE PROTEIN（NLP）よりも広範なDNA配列に結合できる分子メカニズムを解析しました。その結果、DNA配列に結合するNINの領域（DNA結合ドメイン）の直後に存在する、これまで知られていなかった15アミノ酸からなる短い配列を同定し、この領域をFR（Following RWP-RK）と命名しました。NINは2つつながった複合体（二量体）としてDNA配列に結合しますが、FRが二量体形成を安定化させ、DNA結合の柔軟性を高めていることが分かりました。FRを欠失させたnin変異体のミヤコグサでは、根粒内部での微生物定着や窒素固定が正常に進行しなかったことから、NINが機能するにはFRが不可欠であることが明らかになりました。

さらに進化的解析から、このNIN型のFRは、根粒共生が出現する以前から一部の植物に存在していたことが分かりました。これは、NINが既存の転写因子の分子特性を基盤として進化したことを示唆しています。本研究は、転写因子のわずかな構造変化が新たな生物機能を生み出す仕組みを明らかにしました。持続可能な農業技術の開発に向けた基盤的な知見となることが期待されます。

本研究成果は、2026年１月30日付（現地時間）で「Science Advances」に掲載されました。