共同発表：植物に酢酸を与えると乾燥に強くなるメカニズムを発見～遺伝子組み換え植物に頼らない干ばつ被害軽減に期待～

ポイント

遺伝子組み換え技術に頼らず、植物を乾燥・干ばつに対して強化する技術が求められていた。
酢酸が植物の乾燥耐性を強化するメカニズムを発見した。
遺伝子組み換え植物を使わず、酢酸を与えるだけで簡便・安価に乾燥・干ばつに対処できることが期待される。

ＪＳＴ戦略的創造研究推進事業において、理化学研究所環境資源科学研究センター植物ゲノム発現研究チームの金鍾明　研究員、関原明　チームリーダーらは、お酢の主成分である酢酸を与えることで植物が乾燥に強くなるメカニズムを発見しました。従来、植物を乾燥や干ばつに強くするには、遺伝子組み換え植物の利用が主流でしたが、遺伝子組み換え技術に頼らずに、植物の乾燥耐性を強化する技術の開発が望まれていました。

本研究グループは、乾燥ストレス応答時の植物体内の代謝変化を調べ、乾燥に応答して酢酸が積極的に作り出されていることを発見しました。また、この酢酸合成開始には植物のエピジェネティック因子が活性化のスイッチとして働いていることも明らかにしました。さらに、酢酸を与えることで、さまざまな植物で乾燥耐性が強化されることや、それが傷害応答に関わる植物ホルモンであるジャスモン酸の合成とシグナル伝達を介していることを明らかにしました。

遺伝子組み換え植物に頼らず、植物に酢酸を与えるだけで、急激な乾燥や干ばつに対処できる簡便・安価な農業的手法として役立つことが期待されます。

本研究は、東京大学大学院理学系研究科生物科学専攻藤泰子　助教、農業・食品産業技術総合研究機構生物機能利用研究部門の土生芳樹　ユニット長、東京理科大学理工学部松永幸大　教授らと共同で行ったものです。

本研究成果は、２０１７年６月２６日１６時（英国時間）に英国科学誌　「Ｎａｔｕｒｅ　Ｐｌａｎｔｓ」のオンライン速報版で公開されます。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

戦略的創造研究推進事業チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）

研究領域	「二酸化炭素資源化を目指した植物の物質生産力強化と生産物活用のための基盤技術の創出」研究総括：磯貝彰（奈良先端科学技術大学院大学　名誉教授）
研究課題名	「エピゲノム制御ネットワークの理解に基づく環境ストレス適応力強化および有用バイオマス産生」（グラントナンバーJPMJCR13B4）
研究代表者	関原明（理化学研究所環境資源科学研究センター植物ゲノム発現研究チーム　チームリーダー）
研究期間	平成２５年１０月～平成３１年３月

＜研究の背景と経緯＞

地球温暖化などの環境変動による急激な乾燥や干ばつの発生は、トウモロコシやコムギをはじめとする作物生産量の低下や砂漠化の拡大など、世界規模で大きな問題となっています。これまでに、植物の乾燥耐性を強化するための方法として、遺伝子組み換え技術が用いられてきました。しかし、これらの作出には時間や費用がかかることから、より簡便かつ安価に利用できる植物への乾燥耐性強化技術の開発が求められています。

＜研究の内容＞

研究グループはまず、モデル植物であるシロイヌナズナを用いて、乾燥処理による植物体内の代謝変化を調べました。その結果、乾燥時には、生命活動に必要なエネルギーを得るための中心的な代謝経路である解糖系^注１）が強く抑制されるだけでなく、酢酸の生合成量が特異的に増加することを発見しました。酢酸は解糖系の中間代謝物であるピルビン酸から生合成されることから、乾燥処理により、植物体内でダイナミックな中心代謝経路の変化が起きていることがわかりました。また、この代謝変化にはエピジェネティック制御^注２）因子であるヒストン脱アセチル化酵素^注３）ＨＤＡ６タンパク質がスイッチとして働き、酢酸合成遺伝子発現のオン・オフを直接制御していることも明らかにしました。さらに、シロイヌナズナに外部から酢酸を与えることで乾燥耐性が強化されることを発見しました。

次に、酢酸の作用メカニズムを明らかにするため、シロイヌナズナに酢酸を与えた時に生じる変化を調べました。その結果、傷害応答に関わる植物ホルモンであるジャスモン酸^注４）の生合成が誘導され、吸収された酢酸が、ＤＮＡと相互作用するヒストンタンパク質^注５）にアセチル化修飾として取り込まれて、ジャスモン酸の下流ネットワーク遺伝子群が活性化されていることを明らかにしました。

さらに、シロイヌナズナ以外のイネ、トウモロコシ、コムギ、ナタネなどの有用作物についても、酢酸を与えることにより乾燥耐性が強化されることを確認しました。

これらは、１）植物の酢酸－ジャスモン酸経路を介した新規乾燥耐性機構の発見、２）植物の乾燥応答をエピジェネティックな因子が直接制御していること、３）酢酸－ジャスモン酸を介した乾燥耐性システムが幅広い植物種に進化的に保存されていることを示す初めての成果です。

＜今後の展開＞

今回発見された「酢酸－ジャスモン酸経路を介した植物の乾燥耐性機構」は、これまでに全く知られていなかった新規のメカニズムであり、今後研究を続けることで、さらに多くの重要な遺伝子・物質の発見や、植物が環境刺激を記憶するメカニズムの解明につながります。また、この研究成果は、遺伝子組み換え植物に頼らず、植物に酢酸を与えるだけで、急激な乾燥や干ばつに対処できる簡便・安価な農業的手法として役立つことが期待されます。

＜参考図＞

図１　酢酸による植物の乾燥耐性強化

シロイヌナズナに対して、さまざまな酸溶液を与えて乾燥処理を行ったところ、酢酸を添加した植物のみが強い乾燥耐性を示した。

図２　植物の新規乾燥耐性機構：酢酸－ジャスモン酸経路

水分がたくさんある通常時には、シロイヌナズナのヒストン脱アセチル化酵素ＨＤＡ６は酢酸合成遺伝子に直接結合し、酢酸の生合成を抑制している。このため、中心代謝経路はグルコース→ピルビン酸→ＴＣＡサイクル（クエン酸回路）へと流れる。一方で乾燥に応答して、ＨＤＡ６はこの酢酸合成遺伝子から乖離し、遺伝子発現の抑制が解除される。この結果、植物体内で酢酸が合成される。合成された酢酸は、傷害応答に機能する植物ホルモンであるジャスモン酸の合成を誘導する。酢酸を基質とするヒストンアセチル化により、傷害応答に機能する下流遺伝子ネットワークが活性化され、植物は乾燥に強くなる。

＜用語解説＞

注１）解糖系: ほとんど全ての生物が持っている代謝経路であり、グルコース（ブドウ糖）をピルビン酸などの有機酸に分解し、グルコースの化学エネルギーを生物が使いやすいアデノシン三リン酸（ＡＴＰ）などの形に変換する。
注２）エピジェネティック制御: ＤＮＡ配列の変化を伴わず、ＤＮＡやヒストンタンパク質への後天的な化学修飾により制御される遺伝および遺伝子調節現象。ＤＮＡのメチル化や、ヒストンのアセチル化、メチル化などが後天的な修飾として作用する。
注３）ヒストン脱アセチル化酵素: ヒストンタンパク質に付加されたアセチル化化学修飾を取り除く時に機能する酵素。ヒストン脱アセチル化を起こすことで、クロマチン構造がパッキングして遺伝子不活性化が生じる。
注４）ジャスモン酸: 植物ホルモン様物質である揮発性有機化合物の１つで、果実熟成や老化促進、および傷害ストレス応答のシグナルとして機能する。ジャスミンの花から香気成分として単離できるジャスモン酸メチルはジャスモン酸の誘導体として知られる。
注５）ヒストンタンパク質: ヒストンは真核生物のクロマチンを構成するタンパク質であり、ＤＮＡ分子を効率的に折りたたんで核内に収納する役割を持つ。ヒストンが受ける化学修飾の種類（アセチル化、メチル化、リン酸化、ユビキチン化など）と量により、ＤＮＡの折りたたみ構造が変化するため、遺伝子発現の調節などに機能する。

＜論文情報＞

タイトル	“Acetate-mediated novel survival strategy against drought in plants”
著者名	Jong-Myong Kim, Taiko Kim To, Akihiro Matsui, Keitaro Tanoi, Natsuko I. Kobayashi, Fumio Matsuda, Yoshiki Habu, Daisuke Ogawa, Takuya Sakamoto, Sachihiro Matsunaga, Khurram Bashir, Sultana Rasheed, Marina Ando, Hiroko Takeda, Kanako Kawaura, Miyako Kusano, Atsushi Fukushima, Takaho A. Endo, Takashi Kuromori, Junko Ishida, Taeko Morosawa, Maho Tanaka, Chieko Torii, Yumiko Takebayashi, Hitoshi Sakakibara, Yasunari Ogihara, Kazuki Saito, Kazuo Shinozaki, Alessandra Devoto & Motoaki Seki
掲載誌	Ｎａｔｕｒｅ　Ｐｌａｎｔｓ
doi	10.1038/nplants.2017.97