理研と東大、長期の乾燥による葉の黄化防止に関わる遺伝子のメカニズムを解明

長期の乾燥による葉の黄化防止に関わる遺伝子を発見
−作物の黄化制御技術の開発に応用−


■要旨
　理化学研究所（理研）環境資源科学研究センター機能開発研究グループの篠崎一雄グループディレクターと、東京大学大学院農学生命科学研究科の篠崎和子教授、国際農林水産業研究センターの中島一雄プロジェクトリーダーらの共同研究グループ（※）は、長期の乾燥による植物の葉の黄化を制御する遺伝子を発見しました。

　植物ホルモンのアブシジン酸（ABA）［１］は、水分不足などによる乾燥ストレス時に葉に蓄積し、植物が乾燥ストレス耐性を獲得する過程で、重要な役割を担います。一方でABAの長期処理は、葉緑素（クロロフィル）［２］の分解を引き起こし、葉の黄化を促すことが知られています。しかし、この生理応答（外部からの刺激に対する生体の適応反応）の詳細なメカニズムは明らかになっていませんでした。

　今回、共同研究グループは、植物に特異的な転写因子［３］の１つであるNAC（NAM、ATAF　and　CUC）遺伝子に着目しました。NAC遺伝子は、モデル植物であるシロイヌナズナ［４］において、少なくとも１００以上の遺伝子で構成される大規模な遺伝子ファミリー［５］を作ります。共同研究グループはNAC遺伝子群の中で、ストレス応答に関わる７つのNAC遺伝子（A　subfamily　of　stress−responsive　NAC：SNAC−As）に焦点を絞りました。SNAC−As遺伝子をすべて壊した７重変異体を作製し、詳細に解析を行った結果、SNAC−As転写因子群が、ABA処理条件において、黄化に関わる遺伝子（SAG２６、ATH８等）を制御して、クロロフィルの分解を引き起こしていることを突き止めました。

　この研究成果は、長期にわたる乾燥ストレスによる植物の黄化を制御し、作物の品質や収量の改良につながると期待できます。

　本研究は、英国の科学雑誌『The　Plant　Journal』に掲載されるのに先立ち、オンライン版（１０月３０日付け：日本時間１０月３１日）に掲載されました。

　※共同研究グループ
　　理化学研究所　環境資源科学研究センター　機能開発研究グループ
　　グループディレクター　篠崎　一雄（しのざき　かずお）
　　特別研究員（研究当時）高崎　寛則（◇）（たかさき　ひろのり）

　◇特別研究員の正式表記は添付の関連資料を参照


　　東京大学大学院農学生命科学研究科　応用生命化学専攻　植物分子生理学研究室
　　教授　篠崎　和子（しのざき　かずこ）

　　国際農林水産業研究センター　生物資源・利用領域
　　プロジェクトリーダー　中島　一雄（なかしま　かずお）


■背景
　植物ホルモンのアブシジン酸（ABA）は、乾燥ストレス時に葉に蓄積し、気孔を閉じて水分の蒸散を抑えたり、ストレス応答遺伝子の発現を促したりします。これらの生理応答を通じて、植物はストレス耐性を獲得するため、ABAは植物のストレス応答において、生死を左右する重要な役割を担っていると言えます。従って、植物体内で起きるABA応答を詳細に明らかにすることは、干ばつに強い作物の開発につながります。理研の研究室では、これまでにABAの応答経路を明らかにしています（注１）。

　一方で、ABAの効果が長時間に及ぶと、光合成に必須である葉緑素（クロロフィル）が分解され、黄化が進行することが知られています。しかし、ABAによる葉の黄化の分子メカニズムは、明らかになっていませんでした。

　そこで共同研究グループは、ABA応答に関わる遺伝子群の中から、葉の黄化に関わる因子を見つけ出すことにしました。

　注１）２００９年９月２２日プレスリリース「劣悪環境に応答する植物ホルモン「アブシジン酸」の応答経路を解明」（http://www.riken.jp/pr/press/2009/20090922/）


■研究手法と成果
　はじめに共同研究グループは、植物に特異的な転写因子の１つであるNAC（NAM、ATAF　and　CUC）遺伝子に着目しました。NAC遺伝子は、モデル植物であるシロイヌナズナにおいて、少なくとも１００以上の遺伝子で構成される大規模な遺伝子ファミリーを作ります。共同研究グループは、NAC遺伝子の１つであるRD２６がABA応答に関わることを２００４年に発見していました（注２）。さらにRD２６を含む７つのNAC遺伝子が、SNAC−As（A　subfamily　of　stress−responsive　NAC）遺伝子ファミリーを形成することも突き止めていました。そこで、本研究ではSNAC−As遺伝子に着目し、SNAC−As遺伝子をすべて壊したシロイヌナズナ変異体（SNAC−As７重変異体）を作製し、ABAによるクロロフィルの分解制御メカニズムの解明に取り組みました。シロイヌナズナの葉をABA溶液に浸すことによってクロロフィル含有量を評価しました。ABA溶液に切断した葉を浸すと、野生型［６］シロイヌナズナは処理後３日程度でクロロフィルの分解が起こります。しかし、SNAC−As７重変異体ではこのクロロフィル分解が遅れました。

　遺伝子発現を調べたところ、主要なABA応答を制御する転写因子であるAREB／ABFs［７］遺伝子ファミリーが制御する乾燥耐性に関わる遺伝子（RAB１８、RD２９B等）は正常に発現しているにもかかわらず、SNAC−As遺伝子ファミリーが制御する葉の黄化に関わる遺伝子（SAG２６、ATH８等）の発現は野生型よりも弱いことが分かりました（図１）。これらの結果から、SNAC−As遺伝子ファミリーは、AREB／ABFs遺伝子ファミリーが制御する遺伝子（RAB１８、RD２９B等）とは別に、葉の黄化に関わる遺伝子（SAG２６、ATH８等）発現を制御していることが明らかになりました。乾燥時における葉の黄化制御は作物の品質、収量の改良につながるため、その分子メカニズムを明らかにする必要があります。この現象は、乾燥耐性に関わる遺伝子発現と、葉の黄化に関わる遺伝子発現を分けて制御する技術の実現可能性を示すもので、重要な成果であると考えられます。

　注２）A　dehydration−induced　NAC　protein，RD２６，is　involved　in　a　novel　ABA−dependent　stress−signaling　pathway．，Fujita　M，Fujita　Y，Maruyama　K，Seki　M，Hiratsu　K，Ohme−Takagi　M，Tran　LS，Yamaguchi−Shinozaki　K，Shinozaki　K．，Plant　J．２００４　Sep；３９（６）：８６３−７６．，PMID：１５３４１６２９


■今後の期待
　本研究によって得られた成果は、乾燥耐性植物の育種における葉の黄化制御技術の開発に利用可能です。SNAC−As遺伝子ファミリーは実験植物であるシロイヌナズナ以外にも、イネ、ダイズ、トウモロコシなどの作物にも保存されているため、作物への応用が期待できます。


■原論文情報
　・Hironori　Takasaki，Kyonoshin　Maruyama，Fuminori　Takahashi，Miki　Fujita，Takuya　Yoshida，Kazuo　Nakashima，Fumiyoshi　Myouga，Kiminori　Toyooka，Kazuko　Yamaguchi−Shinozaki，and　Kazuo　Shinozaki，“SNAC−As，stress−responsive　NAC　transcription　factors，mediate　ABA−inducible　leaf　senescence”，The　Plant　Journal，doi：１０．１１１／tpj．１３０６７


■発表者
　理化学研究所
　環境資源科学研究センター（http://www.riken.jp/research/labs/csrs/）機能開発研究グループ（http://www.riken.jp/research/labs/csrs/gene_discov/）
　グループディレクター　篠崎　一雄（しのざき　かずお）

　特別研究員（研究当時）高崎　寛則（たかさき　ひろのり）
　東京大学大学院農学生命科学研究科　応用生命化学専攻　植物分子生理学研究室
　教授　篠崎　和子（しのざき　かずこ）

　国際農林水産業研究センター　生物資源・利用領域
　プロジェクトリーダー　中島　一雄（なかしま　かずお）


■補足説明
　１．アブシジン酸
　　ABA（Abscisic　acid）という植物ホルモンの１つ。種子の休眠保持や、乾燥条件下でのストレス耐性の獲得において要となる重要な物質である。

　２．葉緑素（クロロフィル）
　　植物が光合成を行う際に必須とする化学物質であり、葉が緑色に見える色素の原因でもある。この葉緑素の分解は、植物の老化（黄化）研究において、老化の促進具合を測る指標の１つに用いられる。

　３．転写因子
　　ゲノムから遺伝子を発現させる時に機能するタンパク質。

　４．シロイヌナズナ
　　温帯から亜寒帯に広く分布するアブラナ科の一年生の草木で、現在では植物研究の実験用モデル植物として広く用いられる。実験室での取り扱いが容易であること、一世代に要する時間が約２カ月と短いこと、形質転換が容易であることなど、モデル植物として利用的な特徴を備えている。２０００年に高等植物で初めて全ゲノムが解読された。

　５．遺伝子ファミリー
　　複数の遺伝子由来のアミノ酸配列が類似の配列を持っている場合、このような呼び方をする場合がある。その性質から、進化的に共通の祖先を持っている可能性を議論する際に利用される。

　６．野生型
　　生物の自然集団の中で最も高い頻度で見いだされる生物や系統、遺伝子のこと。正常型ともいい、突然変異型に対比する言葉。

　７．AREB／ABFs
　　アブシジン酸に応答した遺伝子発現を制御する転写因子。シロイヌナズナでは４つのAREB／ABFs遺伝子がアブシジン酸応答における主要な転写因子として機能し、また乾燥耐性の獲得に関与している。

　＊図１は添付の関連資料を参照