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長期の乾燥による葉の黄化防止に関わる遺伝子を発見
-干ばつ下での作物の黄化を改善する技術の開発に期待-

国際農林水産業研究センター

平成27年12月14日

国立研究開発法人国際農林水産業研究センター

ポイント

  • 植物のストレス応答に関わる7つのNAC遺伝子が、長期の乾燥による植物の葉の黄化を制御することを世界で初めて発見しました。
  • この遺伝子の活用により、干ばつ下での作物の黄化を改善する技術の開発が期待されます。

概要

 国立研究開発法人理化学研究所(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、国立大学法人東京大学大学院農学生命科学研究科の篠崎和子教授、国立研究開発法人国際農林水産業研究センター(JIRCAS)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を長時間与える処理は、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[3]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[4]の1つであるNACNAMATAF 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[5]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[6]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(SAG26ATH8等)を調節して、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、JIRCASが目指している干ばつ耐性作物の開発において、干ばつ下での長期にわたる乾燥ストレスによる植物の黄化を制御し、作物の収量等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。
予算:運営費交付金

発表論文

<論文著者>Hironori Takasaki, Kyonoshin Maruyama, Fuminori Takahashi, Miki Fujita, Takuya Yoshida, Kazuo Nakashima, Fumiyoshi Myouga, Kiminori Toyooka, Kazuko Yamaguchi-Shinozaki, and Kazuo Shinozaki
<論文タイトル>SNAC-As, stress-responsive NAC transcription factors, mediate ABA-inducible leaf
<雑誌> The Plant Journal
<DOI> 10.1111/tpj.13067

問い合わせ先など

国際農林水産業研究センター(茨城県つくば市) 理事長 岩永 勝
研究推進責任者:プログラムディレクター 加納 健
研究担当者:生物資源・利用領域 プロジェクトリーダー 中島 一雄
                         主任研究員      圓山 恭之進
広報担当者:情報広報室長 森岡伸介  TEL 029-838-6708 FAX 029-838-6337
プレス用 e-mail:koho-jircas@ml.affrc.go.jp

本資料は農政クラブ、農林記者会、農業技術クラブ、筑波研究学園都市記者会に配布しています。

参考:国立研究開発法人理化学研究所のプレスリリース「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−」(2015年11月27日)

研究の背景

 干ばつは世界各地で発生し、農業生産に大きな被害をもたらしています。干ばつによる食料不足のリスクの高い開発途上地域での被害を抑えるため、干ばつに強い作物を開発することが重要です。JIRCASは開発途上地域での食料安定生産を目指した作物開発に向けた研究を進めています。
共同研究グループは、乾燥などの環境ストレスに植物が応答するメカニズムを明らかにし、これらのストレスへの耐性を向上させた作物を開発することを目指しています。干ばつにより、農作物では、葉の黄化や落葉、収量の減少などが引き起こされます。乾燥によって植物の葉が黄化する機構を明らかにすることは、農作物の開発などを通じて干ばつ下でも安定な食料生産を可能にするために重要です。
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。したがって、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。共同研究グループは、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、葉の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)Molecular basis of the core regulatory network in ABA responses: sensing, signaling and transport. Umezawa T, Nakashima K, Miyakawa T, Kuromori T, Tanokura M, Shinozaki K, Yamaguchi-Shinozaki K., Plant Cell Physiol. 2010 Nov;51(11):1821-39. PMID:20980270 など

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、3種のNAC遺伝子が乾燥応答に関わること、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-AsA 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によってクロロフィルが分解される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[7]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。
注2)Isolation and functional analysis of Arabidopsis stress-inducible NAC transcription factors that bind to a drought-responsive cis-element in the early responsive to dehydration stress 1 promoter.,Tran LS, Nakashima K, Sakuma Y, Simpson SD, Fujita Y, Maruyama K, Fujita M, Seki M, Shinozaki K, Yamaguchi-Shinozaki K.,Plant Cell. 2004 Sep;16(9):2481-98. PMID:15319476
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

 SNAC-As7重変異体の遺伝子発現を調べたところ、主要なABA応答に関わる転写因子であるAREB/ABFs [8]遺伝子ファミリーが調節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調節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)。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調節する遺伝子(RAB18、RD29B等)とは別に、葉の黄化に関わる遺伝子(SAG26、ATH8等)の発現を調節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収量等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調節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。
JIRCASは、SNAC-As7重変異体の網羅的遺伝子発現の解析に貢献しました。

長期にわたる乾燥によって葉が黄化する仕組み

図 長期にわたる乾燥によって葉が黄化する仕組み
野生型シロイヌナズナとSNAC-As 7重変異体の葉を切断し、それぞれABA溶液で処理すると、野生型と比較してSNAC-As 7重変異体では、乾燥耐性に関わる遺伝子の発現は変わらないが、葉の黄化に関わる遺伝子の発現が弱くなり、葉の黄化が遅れる。

今後の期待

 本研究によって得られた成果は、JIRCASが目指している干ばつ耐性作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、多くの作物への応用が期待できます。

用語の解説

[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] 生理応答
外部からの刺激に対する生体の適応反応。
[4] 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。
[5] 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。
[6] 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。
[7] 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。
[8] AREB/ABFs
アブシジン酸に応答した遺伝子発現を調節する転写因子。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。