東京大学大学院 農学生命科学研究科 研究成果
植物のレセプターキナーゼによる活性酸素種を介した乾燥ストレス耐性機構の発見
- 発表者
- 刑部 祐里子 （東京大学大学院農学生命科学研究科応用生命化学専攻 講師）
水野 真二 （千葉大学大学院自然科学研究科 博士課程／現千葉県農業総合研究センター）
田中 秀典 （東京大学大学院農学生命科学研究科応用生命化学専攻 博士課程）
篠崎 和子 （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）
発表概要
植物が乾燥などの水分ストレスに耐性となる機構に働くレセプター遺伝子を同定した。レセプター遺伝子は活性酸素種の生成と消去を調節するシグナル伝達経路を制御することで、ストレス耐性に機能することを明らかにした。砂漠化などの環境悪化に強い作物作出への応用が期待される。
発表内容
砂漠化の進行などの世界的規模の環境悪化が大きな問題になっています。また、爆発的な人口増加は依然として続いており、劣悪環境にも耐える作物の開発は重要な課題となっています。今回、私たちは植物の乾燥などの水分ストレスに対する耐性機構を制御するレセプター因子を同定し、その耐性のメカニズムを明らかにしました。
私たちはこれまで、乾燥などの水分ストレス時に働く植物ホルモンのアブシジン酸（ABA）1)の応答に関与する因子の一つとして、シロイヌナズナの細胞膜局在型レセプター様キナーゼ2)遺伝子であるRPK1を単離して機能を示してきました。しかし、RPK1のシグナル伝達経路の下流因子など、詳しいシグナル伝達機構は不明でした。今回、私たちは、RPK1が破壊された変異体植物と共にRPK1タンパク質を高濃度に蓄積する過剰発現植物を作出しました。これらの植物の乾燥への耐性を調べると、RPK1が破壊された植物は乾燥ストレスに対し弱くなるのに対して、RPK1過剰発現植物はストレス耐性能が向上していることが示されました（図１）。さらに、この植物ではABAへの感受性が上昇し、気孔の閉鎖が素早く起こっていることで、植物体内の水分の損失を防いでいることが明らかになりました。このことは、植物細胞中に高濃度に存在するRPK1タンパク質が関与する情報伝達の増強が行われ、ストレスシグナルが下流因子に強く伝達されたことによるものと考えられました。ゲノム全体の遺伝子の働きを調べるために、RPK1過剰発現植物を用いてマイクロアレイ解析を行ったところ、多数のストレス耐性獲得に働く遺伝子が強く働いていることが示されました。キナーゼ不活性型RPK1タンパク質の過剰発現植物ではこのような働きは見られませんでした。マイクロアレイ解析で明らかになった遺伝子には、生物において様々なストレスなどの二次メッセンジャーとして働く活性酸素種（Reactive Oxygen Species; ROS）に応答する遺伝子が多く含まれており、さらに、RPK1過剰発現植物では、ROS消去に働くスーパーオキシドジスムターゼ活性が上昇していました。酸化ストレス3)は植物の生産性を強く抑制しますが、RPK1過剰発現植物では酸化ストレスそのものに対しても高い耐性能を示しました（図２）。ROSは気孔閉鎖におけるABAシグナル伝達経路において、二次メッセンジャーとして働くことが知られており、RPK1はROSの生成の調節を行うことで乾燥ストレスやABAシグナル伝達経路に働くと考えられました。
本研究では、植物が乾燥などの水分ストレスを受けるとRPK1がレセプター分子として機能してROSの生成の制御を行い、植物体内の水分を調節する気孔の閉鎖と耐性獲得に働く遺伝子群の誘導がおこることを明らかにしました。RPK1遺伝子を利用することにより様々な環境劣化に対応した作物が開発できると期待されます。本研究は、独立行政法人国際農林水産業研究センター、農業生物資源研究所、および理化学研究所と共同で行われました。
発表雑誌
Osakabe Y. Mizuno, S., Tanaka, H., Maruyama, K., Osakabe, K., Todaka, D., Fujita, Y., Kobayashi, M., Shinozaki, K., and Yamaguchi-Shinozaki, K.
Overproduction of the membrane-bound receptor-like protein kinase1, RPK1, enhances abiotic stress tolerance in Arabidopsis.
問い合わせ先
植物分子生理学研究室
篠崎 和子 教授
Tel： 03-5841-8137
Fax： 03-5841-8009
E-mail: akys@mail.ecc.u-tokyo.ac.jp
URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/pmp/index.html
用語解説
1) アブシジン酸（ABA）： ABAは、乾燥などの水分ストレスに応答し植物体内に合成される植物ホルモンの一種であり、種子の休眠や気孔の閉鎖などの誘導や水分ストレス耐性に関与する遺伝子の発現を誘導する。
2) レセプター様キナーゼ: 動物のホルモンレセプターに類似しており、ロイシンに富んだ繰り返し配列構造等の細胞外ドメイン、膜貫通ドメイン、および細胞内キナーゼドメイン構造を持ち、細胞外の情報を細胞内へ伝達していると考えられている。シロイヌナズナには600種類以上のレセプター様キナーゼが存在している。
3) 酸化ストレス： オゾン、大気汚染ガス、強光、紫外線、乾燥、塩害などの環境ストレス、および病害菌に感染した植物体内には、活性酸素種（ROS）が過剰に生成される。ROSが過剰に生成されると植物体内の抗酸化システムとのバランスが崩れ、酸化ストレスとして植物に強い傷害を与える。