「花」を「葉」に変える病気の謎を解く － 原因遺伝子の発見と発症メカニズムの解明 －

ファイトプラズマ（注１）はイネなどの作物を萎縮し枯らすほか、天狗巣病や葉化病など1000種類以上の植物に病気を引き起こし、収穫を皆無にするなど、農業に甚大な被害を与える微小な植物病原細菌です。特に花を葉に変える葉化症状を呈する植物は、緑花アジサイのように病気と判明するまでは魅力的で付加価値の高い品種として市場で珍重され高値で取引されるなど、多くの関心を集めてきましたが、そのメカニズムはこれまで不明でした。
　今回、東京大学大学院農学生命科学研究科の難波成任教授らの研究グループは、花が葉になる葉化症状の原因遺伝子が数多くのファイトプラズマのゲノムに共通して存在する遺伝子群であることを発見し「ファイロジェン（葉化症状PHYLLODY➡PHYLLOGEN、注２）」と命名しました。さらに、ファイロジェンは、植物で共通して花器官の形成を制御するタンパク質（MADSドメイン転写因子群）に結合し、この転写因子群にタンパク質分解装置（プロテアソーム）（注３）で分解されるような標識（ユビキチン）を付加します。これによって、転写因子群はプロテアソームにより分解され（図１）、結果として花器官の形成に関わる遺伝子群の発現が抑制されることも証明しました。これにより、花器官の形成が阻害され葉に変化してしまうこと、すなわち葉化病の発病メカニズムを世界で初めて発見しました（図２）。
　ファイトプラズマは非常に多くの植物に感染し葉化を引き起こすことが知られており、ファイロジェン遺伝子の導入により同様に多数の植物に葉化を引き起こすことができると考えられるため、その利用により、病原体に感染させることなく緑色の花を咲かせる新たな園芸品種を開発できます。また、茎葉を収穫する作物にファイロジェンを発現させることにより、いつまでも葉を付けた茎が伸びるため、収量増が期待されます。さらに、ファイロジェンの働きを阻害する物質を開発すれば、ファイトプラズマ病の治療につながる可能性が高まります。

図１　ファイロジェンは花器官形成に必要な転写因子「MADSドメインタンパク質」を分解する（拡大画像↗）

図２　ファイロジェンの作用メカニズム（拡大画像↗）

ファイトプラズマは、1967年に故土居養二東京大学名誉教授らにより世界で初めて発見された新たな植物病原微生物群で、2004年に東京大学大学院農学生命科学研究科の難波成任教授らの研究グループにより、世界に先駆け全ゲノムが解読されました。その後、全ゲノム情報を基に、同研究グループでは萎縮病や天狗巣病の原因遺伝子（TENGU）とその発病メカニズムを明らかにしてきた経緯があります。

一方で、花と葉の関係については、ゲーテが200年以上も前に、自著「植物変形論」の中で結論づけたように、「花は葉が変化したもの」であり、花は、それぞれ葉が変化した、がく、花弁、雄しべ、雌しべの各花器官から構成されます。植物細胞が葉の代わりにこれらの花器官に分化するメカニズムは植物に普遍的であり、A・B・C・Eクラスに分類される4種類のタンパク質（MADSドメイン転写因子群）の組合せからなる「カルテットモデル」（注４）によりそれぞれの花器官に分化することが知られています。したがって、花が葉に変化する葉化病と花器官の分化メカニズムには関連がある可能性がありましたが、その全貌は不明でした。

今回、同研究グループは花が葉になる葉化症状の原因遺伝子として「ファイロジェン」がファイトプラズマのゲノムに共通して存在する遺伝子群であることを発見しました。さらに、各種のファイロジェン遺伝子を植物に導入したところ、いずれも葉化病が再現されることも確認しました。

葉化病の発病メカニズムについては、まず、ファイロジェンはカルテットモデルを構成するMADSドメイン転写因子群のうち少なくともA・Eクラスの転写因子に結合する性質を持っていることが分かりました。そこで、実際にA・Eクラスの転写因子をファイロジェンとともに植物細胞に導入したところ、それら転写因子が分解されることが明らかになりました。また、タンパク質分解装置（プロテアソーム）を阻害するようにあらかじめ処理するとA・Eクラスの転写因子の分解が阻害されたため、ファイロジェンが導入された植物のプロテアソームを利用してMADSドメイン転写因子群を分解していることが確かめられました。また、A・Eクラスの転写因子はBクラスの転写因子の発現を誘導することが知られていますが、ファイロジェンを発現させた植物では逆にBクラスの転写因子の発現が抑制されていました。つまり、A・Eクラスの転写因子が細胞内で分解されたため、Bクラスの転写因子の誘導が阻害されたと推定されます。

以上の結果から、ファイトプラズマに感染しファイロジェンが分泌された植物では、各花器官の形成に必要なカルテットモデルを構成する転写因子の多くが、分解または発現抑制され、これが原因で各花器官の葉化が起こり、花から新たに枝葉が形成されることが説明されます。今回の成果は、ファイトプラズマの病徴である萎縮、天狗巣、葉化のうち、最後のピースであった葉化症状の原因遺伝子の普遍性とその病理メカニズムを解明したものであり、これら全てのピースを本研究グループがそろえたという画期的な成果です。

ファイロジェンは植物が花を付け結実して一生を終えるのを阻害し、代わりに新しい茎と葉を次々に発生させ、植物を緑色に保つ働きを持っています。これは、ファイトプラズマが緑色を好む媒介昆虫を感染植物におびき寄せ、ほかの植物に感染し拡大する機会を得るために、ファイトプラズマが長い時間をかけて進化のすえ確立してきた戦略である可能性があります。

アジサイなどではファイトプラズマに感染した緑花が珍重されますが、これまでに研究グループが発見したファイトプラズマゲノム中の萎縮病遺伝子により植物は小型化し次第に衰弱・枯死するほか、天狗巣病遺伝子（TENGU）により小さな枝をたくさん出します。ファイトプラズマに感染させることなくファイロジェンだけを植物に発現させれば、生育が旺盛で花を緑色にした新たな園芸品種が開発できるほか、茎葉を収穫する作物にファイロジェンを導入すれば、いつまでも葉を付けた茎が伸びるようになるため、収量増が期待できます。またこれらの遺伝子の働きを阻害する物質を開発すれば、ファイトプラズマ病治療につながることが期待されます。