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植物を大きく育てる遺伝子発見(2013年12月13日)

動物の神経伝達制御因子と類似した遺伝子が、植物では気孔の開閉応答に関わっていた

CO2濃度が低くても気孔を開けないシロイヌナズナの変異体(patrol1変異体)を特定しました。この原因遺伝子は動物の神経伝達物質の分泌に関わるMunc13と類似したタンパクをコードしており、気孔開口に重要である事を突き止めました。PATROL1遺伝子の過剰発現体は野生株よりも大きく気孔を開くことができるため、光合成活性が上昇し、大きく成長しますこの研究成果は「Nature Communications」に掲載されました。

橋本(杉本)美海(理学研究院 生物科学部門)

変異体の特定

将来のCO2高濃度環境に対して植物がどのように応答するのでしょうか。その機構を分子レベルで明らかにするために、気孔のCO2応答性に異常を持つ変異体の一つ、patrol1変異体を詳しく調べました。

まず、多くのシロイヌナズナの中からCO2応答性の突然変異体を探し出しました。シロイヌナズナの野生株ではCO2濃度が低いほど気孔が開口し、蒸散による気化熱が奪われるため葉温は低下します。一方でpatrol1変異体はCO2濃度が低くても気孔を開けないため、野生株と比べると蒸散による気化熱の違いがありました。つまりサーモグラフィーを用いたスクリーニング法により、相対的に高温に見える株を探す事でpatrol1変異体を特定できました(図1)。

fig1-20131213
図1:野生株(上段)、patrol1変異体(中段)、PATROL1過剰発現体(下段)における、各CO2濃度条件下での葉温画像。 patrol1変異体は低CO2(100 ppm)では、野生株と比較して葉温が高い。また、CO2濃度変化に伴う葉温変化も小さい。PATROL1過剰発現体(PATROL1-OX)では低CO2で葉温が低い。

原因遺伝子の特定とその働き

PATROL1の原因遺伝子を特定し解析した結果、MUNドメインと呼ばれる特殊なドメインを持つタンパク質をコードしていました。このドメインは動物の神経伝達物質の分泌に関わるMunc13タンパク質に存在しており、その機能は細胞内の小胞を細胞膜へ結合させ、物質の分泌や細胞膜へのタンパクの供給を行う事です。

なぜpatrol1変異体は気孔を開けなくなったのかを考えてみましょう。気孔開口は細胞膜上のプロトンATPaseと呼ばれる輸送体が活性化し、プロトン(H+)放出による膜の電位差発生が引き金となっています。そこでプロトンATPaseの一つであるAHA1の細胞内での分布を調べてみると、通常は細胞膜にしか存在しないAHA1が、patrol1変異体では細胞内に点状に散在しており細胞膜上のAHA1も少なくなっていました(図2)。つまり、PATROL1の働きは、AHA1を細胞膜へ正しく局在化させることであり、patrol1変異体ではこの機能が損なわれたため気孔を開けなくなったと考えられます。

fig2-20131213
図2:細胞膜プロトンATPase, AHA1の細胞内局在。 野生株では細胞膜にしか局在化していないが、patrol1変異体では細胞内にドット状に散在している。また、細胞膜におけるAHA1も少なくなっている。

PATROL1過剰発現体の利用法

それでは逆にPATROL1の効果が大きい場合に何が起こるのでしょうか。PATROL1過剰発現体(PATROL1-OX)を調べてみると、低CO2条件では光による気孔開口が野生株よりも速く大きく起こることが明らかとなりました。さらに、光合成速度もわずかに上昇していることがわかりました。そこで、植物の成長を調べたところ、短日(夜よりも昼が短い条件)で7週間育てた植物において地上部の重量が、野生株の3割程度増加していることが明らかとなりました(図3)。

fig3-20131213
図3:短日条件下で7週間生育させた植物。 patrol1変異体は成長が遅れ気味だが、短日条件で7週間後、野生株に追いつく。PATROL1過剰発現体では野生株よりも成長がよく、大きくなっている。

PATROL1と非常に似た遺伝子がイネ、ソルガム、ブドウなどの作物やポプラなどの樹木にも存在していますので、PATROL1遺伝子をうまく活用することでこれらのバイオマス増産に寄与できるのではないかと期待できます。

研究こぼれ話

原因遺伝子同定のためのマッピングを行うとき、原因遺伝子の候補が13個ありました。中でもずば抜けて遺伝子が長く、機能が全く未知の遺伝子が含まれており、これじゃなければいいなと思っていたらこれが原因遺伝子でした。 動物の方でもこれと似た遺伝子の機能は最近わかり始めたばかりで情報が少なかったです。運が悪かったと思っていたけれど、共同研究者のおかげでいい形にまとめることができ、本当に有難く思っています。

より詳しく知りたい方は・・・
タイトル
A Munc13-like protein in Arabidopsis mediates H+-ATPase translocation that is essential for stomatal responses (Abstract)
著者
Mimi Hashimoto-Sugimoto, Takumi Higaki, Takashi Yaeno, Ayako Nagami, Mari Irie, Miho Fujimi, Megumi Miyamoto, Kae Akita, Juntaro Negi, Ken Shirasu, Seiichiro Hasezawa, Koh Iba
雑誌名
Nature Communications 4, Article number: 2215
研究室HP
植物生理学研究室
メディア掲載
日経産業新聞(平成25年7月31日)、朝日新聞(平成25年8月1日)
キーワード
気孔、CO2シグナリング、環境応答
このページで使用している図は Nature Communications からの引用となります。