ジベレリン出現前の起源分子が苔の成長を制御する

コケ植物の一種・ヒメツリガネゴケはジベレリンを作らない代わりに、合成ルートの途中から分岐してジベレリンとは構造的に異なる物質を作り、この植物の成長制御に使っていた。この物質の信号としての効力を調節するため、分子内の違う位置に水酸基（ＯＨ）を導入して効力を強めたり弱めたりしていることも分かった。この調節方法は、ジベレリンの調節方法と非常によく似ており、ジベレリンが出現する前の起源物質と表現できる。

【背景】

草丈の制御や発芽過程を司るジベレリンはジテルペン類（注１参照）に属し、ゲラニルゲラニル二リン酸（ＧＧＤＰ）を原料として数段階の生合成過程を経て活性型分子となる【図１の下部：波線より下は高等植物やシダ植物など維管束を持つ植物に共通して認められるジベレリンの合成経路である】。ヒメツリガネゴケのゲノム情報を参照した結果、上記ＧＧＤＰからent-カウレン（Ｋ）、およびその酸化代謝物ent-カウレン酸（ＫＡ）までの合成に必要な酵素遺伝子群は存在したが、それ以降のジベレリン合成に必要となる酵素遺伝子群が見つからず、これと同期して生体内からはジベレリンが検出されない。共同研究グループでは「ヒメツリガネゴケの生育にジベレリンは必要無いか」について決着を図るべくＫＡ合成能欠損変異体を作り、生活環の一部である原糸体の細胞分化の頻度に異常を認めた。この変異形質はＫやＫＡの投与で正常レベルまで回復するが、ジベレリンの投与では回復しなかった。これにより、ジベレリンとは明らかに構造の異なるＫＡ代謝物の関与が強く示唆されていた。

【研究の内容】
　　「ジベレリン起源物質」の追跡に、いわゆる「モノ取り」手法（注２）を用いた。その周辺環境として、生物検定（注３）における定量評価系と高感度機器分析系を整えた。定量評価系は、分化後の細胞に存在する葉緑体が分化前より減少して淡色化することを利用して撮影画像を二色化し、全体に占める淡色領域の割合を評価値とした。これにより終濃度1〜1,000ナノモラー（ナノは十億分の一を示す接頭辞）の範囲でＫＡ投与に伴う評価値の単調増加傾向を確認した。高感度機器分析系は、ＫＡのような炭素骨格に近い物質の分析に従来から不向きと言われてきたESIイオン化LC/MS/MSの難点を逆手にとる分析手法を開発し、ＫＡ関連物質の高感度検出を実現した。
　　ＫＡ合成能欠損変異体にＫＡを投与して、細胞分化の異常に対する回復傾向を確認した時点で生体からＫＡおよびその関連物質が含まれる有機化合物群を抽出し、固相カラムを用いた粗精製、逆相カラムを用いたHPLC、各画分の生物検定評価、細胞分化誘導活性を認めた画分周辺を対象とするLC/MS/MS分析へと繋いだ。マスクロ上でピークとして認めたＫＡ代謝物候補は、投与したＫＡよりも16マス分子量が大きく、最終的にGC/MSを用いた標品とのフラグメント比較により、ＫＡ分子内3位の位置に水酸基が付与された物質（略称３ＯＨ−ＫＡ、構造は図１参照）を同定した。３ＯＨ−ＫＡはＫＡと比べ、生理活性が大きく上昇した〔①〕。再びＫＡ合成能欠損変異体に３ＯＨ−ＫＡを投与して代謝物の追跡を展開したが、新たな活性物質の存在を認めなかった〔②〕。他方、次世代シーケンサを用いた網羅的発現解析から、ＫＡ分子内2位に水酸基を付与して２ＯＨ−ＫＡ（略称、構造は図１参照）を生産する2位水酸化酵素の遺伝子を特定した。２ＯＨ−ＫＡはＫＡと比べて生理活性が大きく低下した〔③〕。本酵素の欠損変異体を作出したところ、定常レベルで細胞分化を生じやすい形質を確認した〔④〕。さらに、次世代シーケンサ実施時より短時間処理条件（投与後6時間）の2位水酸化酵素遺伝子の発現はＫＡ投与に応答しないが、３ＯＨ−ＫＡ投与で増加した〔⑤〕。上記①②⑤の観点から、追跡の対象としてきた「ジベレリン起源物質」は３ＯＨ−ＫＡであり、③④の観点から２ＯＨ−ＫＡへの変換反応は不活性化の過程と結論した。

【考察と意義】
　　進化的にコケ植物よりも後から出現した維管束植物は、みな一様にジベレリンの合成能を持つ。一方、ヒメツリガネゴケはその合成能を獲得する前段階に位置し、ジベレリンを合成できない代わりに中間産物ＫＡを基点としてより単純な分子構造の「ジベレリン起源物質」を作り、自身の成長制御に用いていた。加えて、3位に水酸基を導入する「活性化」と、2位に水酸基を導入する「不活性化」の制御様式の存在も明らかにした。この様式はジベレリンの活性制御と類似する点が多く、その意味からも「ジベレリン起源物質」と表現できる（図１）。ただし、ジベレリンの場合は、3位に水酸基が付与された活性型分子も依然として2位不活性化の対象であり、2位と3位の両方に水酸基を持つ分子が存在する。他方、「ジベレリン起源物質」の場合はそのような分子の存在が確認できない。この点も、分子進化の観点で考えると非常に興味深い。
　　 最後に、「ジベレリン起源物質」が制御する細胞分化は、ヒメツリガネゴケ原糸体を茎葉体へと遷移させる頻度、ひいては、次世代に繋ぐ胞子形成に影響する。従って、非常に成長が遅いことで知られるコケ植物に対し、こうした物質の人為的コントロールにより成長を加速させ、例えば造園などの作業において短い時間で♪コケの〜むすまで〜状態を演出できる日がくるかもしれない。なお、コケ植物と言っても一括りにできるものではなく、ヒメツリガネゴケが属する蘚類に加えて、大きくは苔類など幾つかの区分がある。そのため、本研究で明らかにした「ジベレリン起源物質」があらゆるコケ植物で生合成され、自身の成長を制御しているか分かっていない点を断っておく。