植物の根に重力方向を伝える新しい因子の発見

植物の根は地中に向かって、茎は空に向かって成長します。これは、植物が重力の方向を感じ取り、根を水分や栄養分が豊富な地中へ、地上部を光合成や生殖に有利な上方へと体の各器官を配置する重要な環境応答の１つで、重力屈性と呼ばれます。

屈性において器官が屈曲する仕組みは、植物ホルモンであるオーキシンが器官内で偏って分布することで引き起こされます。根が重力方向に伸長しているとき、地上部方向から中心部を通って輸送されてきたオーキシンは根端部の根冠で均等に分配されますが（図１上左）、根が傾いて重力方向が変化すると重力側により多くのオーキシンが分配されると考えられています（図１上右）。オーキシン濃度が高くなると根の細胞伸長が抑制されるので、伸長領域で根が屈曲します（図１下）。このような器官内でのオーキシンの分配は、オーキシン排出輸送体ＰＩＮタンパク質が細胞内で偏りを持って配置されることで制御しています。

さらに根や茎などの器官には、重力方向の変化（器官の傾き）を受容する重力感受細胞があります。この細胞に含まれる色素体はデンプンを高度に蓄積してアミロプラストとなり、細胞質よりも比重が高く重力方向に沈降します。これが重力方向の認識に重要であることが知られています。根の重力感受細胞は、根冠内に位置するコルメラ細胞です（図１下）。コルメラ細胞は、重力方向の変化を受容して重力側にオーキシンをより多く輸送する役割を担っていると考えられています。しかし、重力感受細胞内での重力情報伝達の仕組みは明らかにされていませんでした。研究グループはこれまで、モデル植物であるシロイヌナズナを用いて、植物特有の遺伝子ＬＺＹ（ＬＡＺＹ１－ＬＩＫＥ）ファミリーが、重力感受細胞内で重力刺激に応じたオーキシンの分布の制御に関与することを明らかにしていましたが、重力感受細胞内で具体的にどのような反応を担うのかは不明でした。

研究グループはまず、ＬＺＹタンパク質と相互作用する因子を同定し、類似した構造を持つタンパク質をＲＬＤ（ＲＣＣ１－ｌｉｋｅ ｄｏｍａｉｎ ｐｒｏｔｅｉｎ）１～４と名付けその機能を解析しました。ＲＬＤ１とＲＬＤ４は根の重力感受細胞で働いていること、ｒｌｄ１ ｒｌｄ４二重変異体は重力屈性が弱く、側根の伸長方向が水平方向に近づくこと、さらに重力に応答したオーキシン輸送に異常を示すことを明らかにしました（図２）。これによってＲＬＤがＬＺＹと同じ細胞で同様の役割を担っていることが分かりました。また、ｒｌｄ１ ｒｌｄ２ ｒｌｄ３ ｒｌｄ４四重変異体を用いた解析から、ＲＬＤはＰＩＮタンパク質の制御を行うことでオーキシン輸送を調節する機能を持つことが分かりました。

ＬＺＹとＲＬＤは相互作用しますが、それぞれのＣ末端に位置するＣＣＬドメインとＢＲＸドメインとの間で相互作用することを明らかにしました。この結合はこれらのタンパク質が細胞内のどこに存在するかを決める重要な働きをしていました。培養細胞中で、ＬＺＹは細胞膜、ＲＬＤは細胞質と、お互い別々の場所に存在していました。しかしＬＺＹとＲＬＤを同じ細胞で発現させると、ＲＬＤはＬＺＹとともに細胞膜に局在することが分かりました（図３）。また、共に細胞膜に局在するためには、ＣＣＬドメインとＢＲＸドメイン間での相互作用が必須であることを見いだしました。さらに、その相互作用を担うＣＣＬ－ＢＲＸ複合体について高純度のタンパク質複合体を精製して１０００条件以上の結晶化条件スクリーニングを行った結果、結晶が得られました（図４左）。また、大型放射光施設（ＳＰｒｉｎｇ－８、フォトンファクトリー）でタンパク質結晶にＸ線を照射して得られた回折データを基にＸ線結晶構造解析を行い、複合体の３次元構造を決定することにも成功しました。ＢＲＸドメインの構造は今までに報告がなく今回が初めてとなります。ＢＲＸドメインはコンパクトな形をしていて、ＣＣＬのβヘアピン構造という特徴的な構造を認識していることが明らかになりました。さらにＢＲＸとＣＣＬは分子間βシートを形成することで強く結合する仕組みが原子レベルで明らかにされました（図４右）。この構造情報を基に、相互作用を阻害すると予想される点変異をＬＺＹもしくはＲＬＤに導入したところ、両タンパク質間の相互作用が失われるとともに、ＬＺＹの存在下でもＲＬＤは細胞質に留まり、また重力感受細胞での機能を失うことが分かりました。つまり、ＬＺＹがＲＬＤを細胞膜に連れてくるという性質が、重力感受細胞での機能に重要であることが分かりました。

研究グループは、ＬＺＹとＲＬＤが重力感受細胞内でどのように働いているのかについて、解析を進めました。ＬＺＹは植物体内でのタンパク質量が非常に低く保たれているため観察が極めて困難でしたが、観察のための形質転換体を慎重に選抜し、固定した側根を透明化することで、重力感受細胞であるコルメラ細胞で微量のＬＺＹタンパク質を捉えることができました。興味深いことに、ＬＺＹは重力側の細胞膜に偏って存在しており、１８０度ひっくり返して重力刺激を与えたところ３０分後に新たな重力側の細胞膜にその局在が変化することを見いだしました（図５）。この時、アミロプラストも既に新たな重力側に沈降していることが分かりました。ＲＬＤは通常はコルメラ細胞内でほぼ細胞質に存在していますが、同様に重力刺激を与えると６０分後に新たな重力側の細胞膜にも存在するようになりました。この現象はｌｚｙ変異体背景では観察されませんでした。一方、ＬＺＹが重力側に偏って存在する現象はｒｌｄ変異体背景でも観察されました。また、コルメラ細胞で働くＰＩＮ３タンパク質の根冠における分布を調べたところ、野生型では重力刺激後５時間後には重力側に偏って分布していたものの、ｒｌｄ１ ｒｌｄ４変異体ではその偏りがかなり失われていることが分かりました。さらに、人工的に重力感受細胞でのＬＺＹの発現量を増加させてやると、ＬＺＹは細胞膜全体に一様に存在するようになり、そのような状況ではＲＬＤも細胞膜全体に一様に存在することが分かりました。この時、側根の伸長方向は分散してしまったことから、ＬＺＹタンパク質の量が適度に調節され、重力側への偏在が保たれることが重力屈性にとって重要であることが分かりました。

以上の結果から研究グループは、側根コルメラ細胞では、①アミロプラストの位置情報に基づいてＬＺＹが重力側の細胞膜に偏りを持って局在する、②ＣＣＬ―ＢＲＸ間の相互作用によりＲＬＤが細胞質から重力側の細胞膜に移動する、③ＲＬＤによる制御がＰＩＮ蛋白質の重力側への偏りを生じさせ、④オーキシンを重力側により多く輸送する、という重力シグナル伝達機構を提唱しました（図６）。

重力屈性は側枝や側根の伸長角度制御にも関与し、植物器官の空間配置によるプラントアーキテクチャ（植物構造：いわゆる枝振り、根の張り）をつかさどる要因の１つで、育種上重要な形質です。農業的に重要な形質であるものの、その分子メカニズムの理解は進んでいませんでした。今回、ＲＬＤの発見とＬＺＹとの機能的関連性の解析を通して、アミロプラスト沈降以降どのように重力側に情報を伝達するのか、具体的な分子機構の一端が明らかとなりました。本研究で得られた成果は、重力屈性における重力情報伝達の分子機構の理解を大きく前進させるものです。研究グループの森田教授は「今後はＬＺＹが重力側の細胞膜に偏って存在する仕組みをさらに追究し、植物の重力方向認識機構の解明に迫っていきたいと考えています。また、ＲＬＤによるＰＩＮの調節機構についてさらに詳しく解析することで、植物において極めて重要なオーキシンの輸送制御メカニズムの理解につなげたいと思います」と語っています。