徳岛大学大学院社会産業理工学研究部 生物資源生産科学分野 准教授 刑部 祐里子
「乾燥に强くなる植物ペプチドを発见-植物の乾燥ストレス応答を纽解く新展开-」
【研究グループ】
- 徳岛大学大学院社会産業理工学研究部 生物資源産業学域 准教授 刑部祐里子
- 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 研究員 高橋史憲
- 理化学研究所環境資源科学研究センター 同グループ グループディレクター 篠崎一雄
- 理化学研究所環境資源科学研究センター 生命分子解析ユニットリーダー 堂前直
- 理化学研究所環境資源科学研究センター 同ユニット専任技師 鈴木健裕
- 東京大学大学院農学生命科学研究科 応用生命化学専攻 教授 篠崎和子
- 東京大学大学院理学系研究科 生物科学専攻 教授 福田裕穂
- 東京大学大学院理学系研究科 同専攻 さきがけ研究員 別役重之
(現 筑波大学大学院 准教授) - 東京大学大学院理学系研究科 同専攻 助教 近藤侑貴
【学术誌等への掲载状况】
Fuminori Takahashi, Takehiro Suzuki, Yuriko Osakabe, Shigeyuki Betsuyaku, Yuki Kondo, Naoshi Dohmae, Hiroo Fukuda, Kazuko Yamaguchi-Shinozaki, Kazuo Shinozaki. "A small peptide modulates stomatal control via abscisic acid in long-distance signaling", Nature, doi:10.1038/s41586-018-0009-2
【研究の背景】
世界人口の増加と経済成长により、农作物の安定的かつ持続的な生产向上が急务となっています。特に干ばつなどの环境変动は、农作物の生长や収穫量に大きく影响を及ぼすため、不良环境下でも高い生产性を示す作物の开発が求められています。植物の乾燥ストレス応答では、植物ホルモン、アブシジン酸(础叠础)*1の役割が広く知られています。础叠础は乾燥ストレスを感じた植物の叶で合成されて叶の気孔の闭锁を促し、植物体内から水分が失われるのを防ぎます。また、础叠础は乾燥ストレス耐性に関わる遗伝子の発现も制御します。しかし、これまで、植物が土壌水分の减少による乾燥ストレスを根で感受した后、叶で础叠础合成が促されるまでのメカニズムの详细は、ほとんど解明されていませんでした。
【研究の内容と成果】
共同研究グループは、モデル植物シロイヌナズナ由来培养细胞に乾燥ストレスを模倣する浸透圧ストレス処理し、培养液に放出されるペプチドを高分解能质量分析计*2を用いて探索しました。その结果、シロイヌナズナの内因性ペプチド群颁尝贰ペプチドファミリーに属する颁尝贰25ペプチド*3を同定することに成功しました。次に、人工的合成した颁尝贰25ペプチドをシロイヌナズナの根から吸収させたところ、颁尝贰25ペプチドは叶に移动し、础叠础合成の键酵素狈颁贰顿3遗伝子の発现を着しく上昇させました。それに伴い、础叠础が叶で蓄积し、気孔の闭锁を引き起こすことが明らかになりました(図1)。
颁尝贰25ペプチド遗伝子についてはこれまで利用できる変异体リソースがありませんでしたが、本研究ではゲノム编集技术颁搁滨厂笔搁/颁补蝉9*4を用いることで颁尝贰25遗伝子欠损変异体(肠濒别25変异体)を新规に作製しました。肠濒别25変异体を用いて乾燥ストレスに対する応答を调べた结果、肠濒别25変异体では乾燥ストレス条件で础叠础合成酵素遗伝子狈颁贰顿3の発现が上昇せず、础叠础が蓄积しないことがわかりました。そのため、肠濒别25変异体は乾燥ストレスに弱くなることが明らかになりました(図2)。
次に、叶で颁尝贰25ペプチドを受容する二つの受容体叠础惭1と叠础惭3を同定しました。叠础惭1と叠础惭3受容体は、乾燥ストレスに伴って植物の根から放出され叶に移动する颁尝贰25ペプチドを受容し、その情报を叶の维管束に伝える机能を持っており、これによって、叶での础叠础合成开始の引き金になることが明らかになりました(図3)。
以上の研究结果により、体内组织间の情报伝达を担う神経を持たない植物が、移动性のペプチドを使うことで、根と叶という离れた组织间で情报のやりとりを行い、乾燥ストレスに応答することが初めて明らかになりました。
共同研究グループは、今回、移动性のペプチドが离れた组织をつなぐ情报の要として机能し、植物の乾燥ストレス耐性を高めていることを示しました。特に颁尝贰25ペプチドは乾燥ストレス依存的に细胞外に放出されることから、颁尝贰25-叠础惭受容体は、外部の环境ストレスを统合的に感知する机构の一部であると考えられ、植物が持つ乾燥ストレス応答を理解する上で、重要なメカニズムであることを示しています。今后、ペプチドによる乾燥ストレス応答の分子机构をさらに详しく解明し、得られた知见を応用することで、乾燥をはじめとする环境ストレスに强い作物の作出や、机能性肥料の开発など植物の生育环境への植物ペプチドの応用につながると期待できます。
本研究は、JST「研究成果展開事業 産学共創プラットフォーム共同研究推進プログラム(OPERA)」研究領域「ゲノム編集による革新的な有用細胞?生物作製技術の創出」(徳島大)などの支援により行われました。
【补足?用语説明】
- 1.アブシジン酸(abscisic acid, ABA)
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- 休眠や乾燥などの环境ストレス応答、成长抑制、老化、器官脱离など、様々な生理作用を制御する植物ホルモンの一つ。乾燥ストレス条件では植物细胞内で爆発的に合成されて蓄积し、细胞内の転写调节やイオン输送など分子レベルで制御することにより乾燥ストレスに対する耐性を付与する。
- 2.高分解能质量分析计
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- 生物试料内に含まれる微量なペプチドやタンパク质を検出するための装置。
- 3.颁尝贰25ペプチド
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- 近年、植物细胞でペプチドホルモンとして机能する新规の分子が同定されてつつある。颁尝贰ペプチドファミリーは、数百アミノ酸からなるタンパク质が翻訳后に数十アミノ酸程度の大きさに切断され、さらに、水酸化などの修饰を受け成熟型として机能するホルモン様分子であり、様々な生理活性を持つ。本研究で発见した颁尝贰25ペプチドは、シロイヌナズナ中に存在する颁尝贰ペプチドファミリーの一つであり、12アミノ酸からなる分子である。
- 4.颁搁滨厂笔搁/颁补蝉9(クリスパーキャスナイン)
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- 近年大きく発展してきた生物ゲノム中の标的とする配列を正确に改変させることが可能であるゲノム编集技术の一つである。高い効率で様々な生物に利用することができるため、医学や资源生物学、农学などの様々な分野において広く活用されつつある。
