発表者
佐藤 輝(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3年)
溝井 順哉(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)
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3年;当時)
圓山 恭之進(独立行政法人国際農林水産業研究センター 生物資源・利用領域 主任研究員)
秦 峰(独立行政法人国際農林水産業研究センター 生物資源・利用領域 特別研究員;当時)
刑部 祐里子(独立行政法人理化学研究所 環境資源科学研究センター 研究員)
森本 恭子(東京大学大学院農学生命科学研究科 応用生命化学専攻 特任研究員)
大堀 鉄平(東京大学大学院農学生命科学研究科 応用生命化学専攻 修士課程2年;当時)
草壁 和也(東京大学大学院農学生命科学研究科 応用生命化学専攻 修士課程2年;当時)
永田 舞香(東京大学大学院農学生命科学研究科 応用生命化学専攻 修士課程2年;当時)
篠崎 一雄(独立行政法人理化学研究所 環境資源科学研究センター センター長)
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)

発表のポイント

◆植物の高温ストレスへの応答を強化して、高温ストレス耐性を高めるタンパク質DPB3-1を発見した。

◆高温ストレスへの応答を行うと考えられている転写因子(注1)の働きを助け、遺伝子の発現を高めることで、高温ストレス耐性を向上させる仕組みを明らかにした。また、ストレスのない環境では植物の生育に悪影響を与えないことを明らかにした。

◆今回明らかにしたタンパク質の働きを強化することにより、植物に対する生育阻害を与えることなく、高温ストレスに対して耐性の強い品種を開発することが可能になると期待される。

発表概要

東京大学、独立行政法人国際農林水産業研究センター、理化学研究所の共同研究グループは、植物の中で高温ストレス応答がどのように行われているのか新たな仕組みを分子レベルで明らかにしました。
 植物はストレスにさらされると、ストレスに対応するために必要となる様々な遺伝子が活性化され、その発現が誘導されることが知られています。シロイヌナズナの転写因子であるDREB2Aは高温ストレス条件において、多くの遺伝子の発現を誘導することが知られている重要なタンパク質です。ただし、この転写因子DREB2Aが高温ストレス時に、どのようなメカニズムで遺伝子を活性化させているかはよく分かっていませんでした。
 今回、篠崎和子教授らの研究グループは、このDREB2Aと結合し、その働きを助けているタンパク質DPB3-1を発見しました。このタンパク質を多く作る植物では、DREB2Aの機能が強化され、高温ストレス耐性の獲得に重要な、多くの遺伝子の発現がさらに活性化されることが明らかになりました。また、高温ストレスに対する耐性が向上しており、さらにストレスのない条件では普通の植物同様に良好に生長することも分かりました。
 本研究で明らかとなった、高温ストレスに対する応答の新たな仕組みを応用することによって、作物の高温ストレスに対する耐性を高め、より厳しい高温条件の環境で作物を育てる技術の開発が進むことが期待されます。

発表内容

図1 DPB3-1を多く作るシロイヌナズナではストレスのない条件での生育は良好のまま、高温ストレス条件下でDREB2Aの働きを強化することにより、高温ストレス耐性が高くなる(拡大画像↗)

図2 DPB3-1を多く作る植物ではストレスのない条件で、野生型のシロイヌナズナと同様に生長できる(拡大画像↗)

図3 DPB3-1を多く作る植物では野生型のシロイヌナズナが枯死するような高温ストレス処理後でも生存することができる(拡大画像↗)

生物は生育に不利な環境になると、その環境に対応するために必要となる様々な遺伝子を活性化し、その発現を誘導します。このように環境に応じて活性化する遺伝子を変化させることによって、生物はそれぞれの環境に可能な限り適応し、不利な環境でも生存する可能性を高めることができるのです。一度根付いた場所から動くことのできない植物は、このような周囲の環境の変化から逃れるという選択肢を持たないことから、より精密で複雑な応答のメカニズムによって環境の変動に対応しているのではないかと考えられてきました。これまでに多くの研究によって、植物が乾燥や湛水、高温や低温といった様々なストレス環境で、それぞれどのような遺伝子を活性化するのかということが明らかにされてきました。また、それぞれのストレス環境に応じた遺伝子の活性化が、どのような仕組みで行われているのか、ということも明らかにされてきています。

転写因子と呼ばれるタンパク質は、上記のような遺伝子の発現を直接制御する因子であり、遺伝子発現の活性化/不活性化のスイッチのオン/オフを切り替えるような役割を担っています。シロイヌナズナの転写因子であるDREB2Aは、高温や乾燥ストレス環境下で働き、ストレスに対応するために必要な、多くの遺伝子の発現を活性化することがこれまでの研究により明らかにされてきました。このDREB2Aを利用して、常に遺伝子の発現を活性化したような植物では、高温や乾燥のストレスに対して強い耐性を示すようになります。しかしその一方で、ストレスのない環境において、ストレス時に必要な遺伝子を常に活性化することによって植物の生育が悪くなってしまい、作物への応用が難しくなることが課題の一つともなっていました。

今回我々はDREB2Aを制御するタンパク質の探索を試み、DREB2Aと結合するDPB3-1という新しいタンパク質を発見しました。DPB3-1を多く作るシロイヌナズナでは、対照の植物と比べると、高温ストレスに対する耐性が向上しており、遺伝子の発現を調べてみたところ、DREB2Aが活性を制御している、高温ストレス耐性に貢献する多くの遺伝子の発現が向上しているということが分かりました。反対に、DPB3-1を正常に作れなくなったシロイヌナズナでは、野生型のシロイヌナズナ(注2)と比べると、高温ストレスに対する耐性は低下しており、遺伝子の発現も低くなっていることが分かりました。これらの結果から、DPB3-1は高温ストレス条件下で、DREB2Aの働きを助け、遺伝子の発現を高めるような役割があることが明らかになりました。

DPB3-1との相同タンパク質(注3)は、ヒトやマウスなどにも存在しており、先行研究で解析がされてきています。その中で、DPB3-1の相同タンパク質が、さらに他のタンパク質とも結合するという報告があったことから、シロイヌナズナでもDPB3-1がそのようなタンパク質と結合するかを調べました。その結果、NF-YA2、NF-YB3という二つのタンパク質がDPB3-1と結合して協調的に働き、高温ストレス時にDREB2Aの機能を助けることを示す結果が得られました。これらのタンパク質を多く作る植物の解析は現在進行中ですが、DPB3-1の場合と同様に高温ストレスへの耐性が向上していることが期待されます。

DPB3-1を多く作る植物では、高温ストレスに対する耐性が向上していましたが、注目するべきことに、植物の生育に対する悪影響がないことが分かりました。これは、DPB3-1の役割はあくまでDREB2Aの働きを強化することであり、ストレスがない条件では遺伝子の発現を活性化することがないからだと考えられます。色々な植物の遺伝情報を調べた結果、ほとんど全ての作物ではDPB3-1の相同タンパク質を持っていることが明らかになったことから、作物においても同様の仕組みを利用することによって、生育に悪影響を与えることなく、高温ストレス耐性を高められるのではないかと考えています。

このように本研究では、高温ストレス条件下で働く転写因子の機能を強化するような新たな仕組みを明らかにし、またその仕組みを利用して、高温ストレス耐性を向上した品種改良を行うことができる可能性が示されました。今後は、シロイヌナズナだけでなく、作物として利用される植物でも今回明らかにした仕組みがあることを明らかにし、応用利用の可能性を検討していく予定です。

発表雑誌

雑誌名
「The Plant Cell」
論文タイトル
Arabidopsis DPB3-1, a novel DREB2A interactor, specifically enhances heat stress-induced gene expression by forming a heat stress-specific transcriptional complex with NF-Y subunits
著者
Hikaru Sato, Junya Mizoi, Hidenori Tanaka, Kyonosin Maruyama, Feng Qin, Yuriko Osakabe, Kyoko Morimoto, Teppei Ohori, Kazuya Kusakabe, Maika Nagata, Kazuo Shinozaki, Kazuko Yamaguchi-Shinozaki
DOI番号
10.1105/tpc.114.132928
論文URL
http://www.plantcell.org/content/early/2014/12/09/tpc.114.132928.abstract

問い合わせ先

東京大学大学院農学生命科学研究科 応用生命化学専攻 植物分子生理学研究室
教授 篠崎 和子
Tel:03-5841-8137
Fax:03-5841-8009
研究室URL:http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/pmp/

用語解説

注1 転写因子
標的としている遺伝子の発現を活性化あるいは不活性化するようなタンパク質。DREB2Aは遺伝子を活性化する。
注2 野生型のシロイヌナズナ
通常のシロイヌナズナ。比較対照として実験に用いられる。
注3 相同タンパク質
似ているタンパク質。それぞれのタンパク質は20種類のアミノ酸がそのタンパク質に固有の順番で連なった構造をしており、アミノ酸の並びの順番やそれらの割合などから、どの程度似ているかを決めることができる。相同タンパク質同士では同じ機能を持って働く場合が多い。