根におけるケイ素吸収・輸送モデルの開発と イネがケイ素を多く吸収

平成 26 年度主要成果
根におけるケイ素吸収・輸送モデルの開発と
イネがケイ素を多く吸収できるメカニズムの解明
［要約］
イネにおいて重要なミネラルであるケイ素が根から吸収・輸送される過程を計算するモ
デルを開発しました。イネ特有の二重のカスパリー線構造が、ケイ素の輸送体の働きを
促進していることが分かりました。
［背景と目的］
植物において土壌からのミネラル吸収は生長に必須であり、より精度の高い作物生長モ
デルを構築するためには、その詳細な数理モデル化が望まれています。近年、分子生物
学的な研究の進展により、植物体内におけるミネラルの輸送体の働きが明らかになりつ
つあります。そこで、本研究では病害や倒伏を防ぐ上で重要な役割を果たすケイ素の輸
送体に関する分子生物学的な知見の進歩をもとに、イネの根における吸収過程の数理モ
デルを開発し、イネの高いケイ素吸収・輸送能力を解析しました。
［成果の内容］
イネの根には Lsi1 と Lsi2 というケイ素輸送体が存在していることが分かっています。
また、それらはカスパリー線（植物の根に、一重または二重に存在する帯状の構造で植物
体への物質の侵入をブロックする役割を持つ）の細胞にしか存在しておらず、極性を持っ
て存在していることが近年の研究で分かっています（図 1）。本研究では、これらの分子生
物学的な知見をもとに数理モデルを作成しました。このモデルでは、根から吸収されたケ
イ素は、根を拡散しつつ、細胞壁に存在するケイ素輸送体によって、根の中央部の導管ま
で運ばれます（図 1）。また、岡山大学資源植物科学研究所によって測定された、イネにお
けるケイ素の吸収実験のデータを用いて、Lsi1 や Lsi2 の輸送活性を推定し、イネにおけ
るケイ素の吸収・輸送を定量的に再現することができました（図 2）。
このモデルを用いて、なぜイネでは高いケイ素吸収が実現されているのかを解析しまし
た。他の植物と異なりイネではカスパリー線が内皮と外皮の両方に存在しているため、内
皮と外皮の間に輸送されたケイ素の濃度を高く保つことができ、ケイ素の輸送能力が大き
く増大していると推定されました（図 3）。この発見は、カスパリー線の役割の新しい側面
を示唆するものです。今後は他のミネラル吸収モデルを開発することにより、精度の高い
作物生長モデルの構築が期待されます。
本研究は、JSPS 科研費 (25119723) による成果です。
リサーチプロジェクト名： 食料生産変動予測リサーチプロジェクト
研究担当者：生態系計測研究領域
櫻井玄、佐竹暁子（北海道大学)、山地直樹（岡山大学）、横沢
正幸（静岡大学）、FEUGIER François Gabriel（北海道大学)、三谷奈見季（岡山大
学）、馬建鋒（岡山大学）
発表論文等：1) Sakurai et al., Plant Cell Physiol. doi:10.1093/pcp/pcv017 (2015)
図 1 根のケイ素吸収のモデル化
イネの根において重要な役割を果たす 2 種類のケイ素の輸送体 (Lsi1 と Lsi2)の配
置 (a)。2 つの輸送体は、内皮と外皮の両方のカスパリー線に、極性を持って配置さ
れています。モデルでは、根を円柱として扱い、細胞壁によって細胞の内側と外側
のコンパートメントを持つ格子で模式し、拡散方程式を解きます (b)。内皮と外皮
のカスパリー線にある輸送体がケイ素を根の中心方向にすばやく輸送し、根の中心
に高いケイ素濃度を作り出します (c)。図(c)は数理モデルの計算によるケイ素の濃
度の変化についての定性的なイメージです。
図 2 シミュレーション予測値と観測値の比較
イネの根を 1mM のケイ素溶液に浸し、60 分後までの
導管中のケイ素濃度を測定したデータとシミュレ
ーションによる推定値の比較。縦軸は導管中のケイ
素濃度 (mM) 、横軸は時間 (分)。灰色と実線は推
定値を点線と折れ線（●）は観測値を示しています。
灰色及び点線内の領域は 95%信頼区間。観測値を定
量的に再現することができていることが分かりま
す。
図 3 シミュレーション実験によるカスパリー線の
意義の解明
イネの根を 1mM のケイ素溶液に浸して 60 分後まで
の導管中のケイ素濃度のシミュレーション実験結
果。内皮と外皮のカスパリー線を除去した場合の影
響を解析しています。輸送体を野生型と同様の位置
に配置したしたとしても、カスパリー線を除去する
とケイ素濃度が大幅に減少することが分かります。