理化学研究所、植物ホルモン「オーキシン」生合成の主経路を解明

ついに植物ホルモン「オーキシン」生合成の主経路を解明
−農作物やバイオマスなどの増収研究に向けて大きな一歩−


◇ポイント◇
　○植物はアミノ酸のトリプトファンから２種類の酵素の働きでオーキシンを合成
　○化学的に不安定な極微量のオーキシン生合成中間物質の分析法を確立
　○オーキシンによる植物の基本的な成長制御機構の解明に貢献

　独立行政法人理化学研究所（野依良治理事長）は、植物ホルモン（※１）の１種「オーキシン（※２）」の生合成の主経路の解明に成功しました。これは、理研植物科学研究センター（篠崎一雄センター長）生長制御研究グループ（神谷勇治グループディレクター）の笠原博幸上級研究員らを中心とした国際共同研究グループ（※３）による成果です。

　オーキシンは植物の形態形成で中心的な役割を果たす成長制御物質です。オーキシンの研究は１９世紀後半にダーウィン親子が行った植物の光屈性試験に始まり、１９３０年代中頃にインドール−３−酢酸（ＩＡＡ）がオーキシンとして最初に同定されました。植物では１９４６年にＩＡＡが確認され、その後６０年以上にわたりＩＡＡを中心にオーキシンの研究が行われてきましたが、植物がどのようにＩＡＡを合成しているのかは謎のままでした。なぜならＩＡＡの欠損変異体の単離やその生合成中間物質の分析などが困難だったからです。

　研究グループは液体クロマトグラフィー・エレクトロスプレーイオン化・タンデム型質量分析装置（※４）（ＬＣ−ＥＳＩ−ＭＳ／ＭＳ）という質量分析計（※５）を使って、植物にごく微量にしか存在せず化学的にも不安定なＩＡＡ生合成途中に生成される中間物質（生合成中間物質）を調べるため、モデル実験植物であるシロイヌナズナ（※６）を使って分析しました。その結果、これまで異なるＩＡＡ生合成経路に存在すると考えられていたトリプトファンアミノ基転移酵素（ＴＡＡ１）とフラビンモノオキシゲナーゼ（※７）（ＹＵＣＣＡ）が、実際は同じ経路に存在する酵素であることを突き止めました。また、ＹＵＣＣＡがＩＡＡ生合成中間物質であるインドール−３−ピルビン酸からＩＡＡを生成することを証明しました。これまでの知見とあわせると、植物はアミノ酸であるトリプトファンからＴＡＡ１とＹＵＣＣＡの２種類の酵素の働きでＩＡＡを合成することが明らかになりました。この成果により、ＩＡＡによる成長制御機構をさらに詳しく調べることが可能になります。また、人工的に合成されたオーキシンは除草剤や果実成長促進剤等として広く用いられており、農作物やバイオマスなどの増収研究に貢献すると期待できます。本研究成果は米国科学アカデミー紀要『Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｕｎｉｔｅｄ　Ｓｔａｔｅｓ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ：ＰＮＡＳ』のオンライン版（１０月２４日付け：日本時間１０月２５日）に掲載されます。なお、米国カリフォルニア大サンディエゴ校との共同研究で分子遺伝学の観点から行ったＩＡＡ生合成の研究論文も同号に掲載されます。


１．背景
　オーキシンの１つであるインドール−３−酢酸（ＩＡＡ）は、植物内で活発に細胞間を極性輸送（※８）され、オーキシン受容体タンパク質に働き掛けることで、オーキシン早期応答遺伝子の転写活性を促進してオーキシン応答を引き起こします。こうしたＩＡＡの作用機構は明らかにされてきたものの、植物がＩＡＡをどのように合成しているのかという根本的な問題はこれまで解明されていませんでした。ＩＡＡが複数の経路から合成されているため、その欠損変異体を単離するのが難しいと考えられていたことが原因です。また、植物にごく微量に存在するＩＡＡ生合成中間物質は化学的に不安定なため、分析することが難しかったことも原因に挙げられます。植物の基本的な成長制御の仕組みを理解するうえでオーキシン生合成経路の解明は重要であり、長年にわたる生物学の中心的課題でした。
　シロイヌナズナにはアミノ酸であるトリプトファンから始まる４つのＩＡＡ生合成経路が存在する可能性があります。研究グループは２００９年に、このうちの１つの経路が植物に共通したＩＡＡ生合成経路ではなく、アブラナ科固有の二次代謝経路から分岐する特殊な経路であることを示しました（図１　点線内、２００９年３月プレスリリース）。一方、ＩＡＡ生合成酵素は、これまでにいくつも同定されており、なかでも植物全般的に重要な役割を持つＴＡＡ１とＹＵＣＣＡは、別々のＩＡＡ生合成経路に存在すると考えられていました（図１左）。しかし、これらの酵素をコードする遺伝子を欠損した変異体が類似した表現型を示すことから、研究グループは、この２つの酵素が同じＩＡＡ生合成経路に存在するのではないかと予想しました。


２．研究手法と成果
　ＹＵＣＣＡはＩＡＡ生合成の量を制御する鍵となる酵素であり、その遺伝子を過剰発現したシロイヌナズナはＩＡＡ過剰生産の表現型を示します。そこで、研究グループはＴＡＡ１がＹＵＣＣＡと同じ経路に存在するならば、２つの遺伝子を同時に発現（共発現）させることによりＹＵＣＣＡ単独の場合よりも過剰にＩＡＡを生産するのではないかと考えました。これら２つの遺伝子の共発現体を作成すると、予想通りＴＡＡ１がＹＵＣＣＡによるＩＡＡの生合成を顕著に増加させることが明らかになりました（図２）。これにより、ＴＡＡ１とＹＵＣＣＡが同一経路に存在する可能性が示唆されました。
　次に、ＴＡＡ１遺伝子やＹＵＣＣＡ遺伝子の過剰発現体や欠損変異体のＩＡＡ生合成中間体をＬＣ−ＥＳＩ−ＭＳ／ＭＳを使って分析すると、ＴＡＡ１は報告された通りアミノ酸のトリプトファンからインドール−３−ピルビン酸を合成する酵素ですが、ＹＵＣＣＡはＮ−ヒドロキシトリプタミンの合成ではなく、インドール−３−ピルビン酸からＩＡＡを合成する酵素である可能性が示唆されました。そこで、大腸菌で調製したＹＵＣＣＡタンパク質を使って酵素活性試験を行うと、インドール−３−ピルビン酸からＩＡＡを生成することが確認されました。これにより、ＩＡＡはトリプトファンからＴＡＡ１とＹＵＣＣＡの２つの酵素の働きにより同一経路上で合成されていることが明らかになりました（図１右）。


３．今後の期待
　ＬＣ−ＥＳＩ−ＭＳ／ＭＳによるオーキシン生合成中間体の分析とＴＡＡ１遺伝子およびＹＵＣＣＡ遺伝子発現の解析により、植物がいつ、どこで、どの程度のＩＡＡを合成しているのか、ＩＡＡによる形態形成や環境応答機構の解明が進むと考えられます。また、人工的に合成されたオーキシンは除草剤や着果・果実成長促進剤、発根促進剤として農業分野で極めて重要であることから、インドール−３−ピルビン酸経路が新たな農薬開発のターゲットになると考えられます。さらに、ＴＡＡ１遺伝子やＹＵＣＣＡ遺伝子を制御することにより植物でのＩＡＡ内生量をコントロールして、人工的に合成されるオーキシンを使用することなく、農作物、綿花などの衣料原料、樹木バイオマスなどを増産する新たな研究の道が拓かれると期待できます。


原論文情報
　Ｋｉｙｏｓｈｉ　Ｍａｓｈｉｇｕｃｈｉ，　Ｋｅｉｔａ　Ｔａｎａｋａ，　Ｔａｔｓｕｙａ　Ｓａｋａｉ，　Ｓａｔｏｋｏ　Ｓｕｇａｗａｒａ，　Ｈｉｒｏｓｈｉ　Ｋａｗａｉｄｅ，　Ｍａｓａｈｉｒｏ　Ｎａｔｓｕｍｅ，　Ａｔｓｕｓｈｉ　Ｈａｎａｄａ，　Ｔａｋａｓｈｉ　Ｙａｅｎｏ，　Ｋｅｎ　Ｓｈｉｒａｓｕ，　Ｈｏｎｇ　Ｙａｏ，　Ｐａｕｌａ　ＭｃＳｔｅｅｎ，　Ｙｕｎｄｅ　Ｚｈａｏ，　Ｋｅｎ−ｉｃｈｉｒｏ　Ｈａｙａｓｈｉ，　Ｙｕｊｉ　Ｋａｍｉｙａ　ａｎｄ　Ｈｉｒｏｙｕｋｉ　Ｋａｓａｈａｒａ　“Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ａｕｘｉｎ　ｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｐａｔｈｗａｙ　ｉｎ　Ａｒａｂｉｄｏｐｓｉｓ”．　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｕｎｉｔｅｄ　Ｓｔａｔｅｓ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ，　２０１１，　ｄｏｉ：１０．１０７３／ｐｎａｓ．１１０８４３４１０８


※「補足説明」と下記資料は、添付の関連資料を参照
　・図１．植物のＩＡＡ生合成経路
　・図２．２種類のＩＡＡ生合成酵素（ＴＡＡ１とＹＵＣＣＡ）の遺伝子を同時に発現させたシロイヌナズナ