東京大学大学院農学生命科学研究科・農学部

発表者

相馬 史幸(東京大学大学院農学生命科学研究科　応用生命化学専攻　学術振興会特別研究員)
高橋 史憲(理化学研究所　環境資源科学研究センター　機能開発研究グループ　研究員)
鈴木 孝征(中部大学大学院応用生物学研究科　応用生物学専攻　准教授)
篠崎 一雄(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

• 乾燥ストレスを受けた植物が、成長や耐性に関わる遺伝子群の発現を素早く調節するための新規経路を明らかにしました。
• 植物の乾燥ストレス応答における中心的な制御因子であるSnRK2タンパク質キナーゼがストレス時特異的に活性化する分子メカニズムを初めて明らかにしました。
• 作物の干ばつや塩害などの水分欠乏ストレス時の成長や収量を向上させる技術開発への貢献が期待されます。

発表概要

　植物は刻々と変化する生育環境に適応して成長するため、様々な遺伝子の発現を絶えず調節しています。乾燥ストレスにさらされた植物では、植物ホルモンであるアブシシン酸(ABA)(注1)が蓄積し、ABAによってサブクラスIII SnRK2タンパク質キナーゼが活性化することでストレス耐性遺伝子群の発現が誘導され、乾燥耐性が獲得されることが知られています。一方、ABAを介さない経路において植物の成長を制御しているサブクラス I SnRK2タンパク質キナーゼの活性化メカニズムは明らかになっていませんでした。
　今回、東京大学と理化学研究所、中部大学の研究グループは、三つのRAFタンパク質キナーゼ(注2)が乾燥ストレスに応答して素早くサブクラス I SnRK2タンパク質キナーゼを活性化することを明らかにしました。また、三つのRAFタンパク質キナーゼを介した素早い応答はストレス応答性遺伝子の発現を最適化することで、乾燥ストレス時に植物の成長を促進していることを示しました。本研究の成果は、干ばつや塩害などの水分欠乏ストレス条件下における作物の成育遅延を緩和する新たなアプローチの開発につながると期待されます。

発表内容

　近年、地球温暖化等の影響により異常気象が頻発し、農業被害が深刻化しています。なかでも乾燥や塩害などの水分欠乏ストレスは植物の成育に大きな影響を及ぼします。そのため、乾燥ストレスに強い耐性を示す作物の育種を目指すために、植物が本来持っている乾燥ストレス応答機構を理解することが重要となっています。植物の乾燥ストレス応答においてSnRK2タンパク質キナーゼが中心的な役割を果たします。乾燥ストレスを受けた植物では、植物ホルモンであるアブシシン酸(ABA)が蓄積し、ABAによりサブクラスIII SnRK2が活性化します。サブクラスIII SnRK2はAREB転写因子のリン酸化を介して乾燥ストレス耐性遺伝子群の発現を誘導することで乾燥耐性を獲得します。一方、乾燥ストレスを受けてABA非依存的に活性化するサブクラス I SnRK2は、mRNA分解の鍵因子であるVARICOSE(VCS)(注3)をリン酸化することで不要なmRNA分解を促進し、乾燥条件下で植物の成長を促進します。しかし、サブクラス I SnRK2が、乾燥ストレスに応答して素早く活性化する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、共免疫沈降法と質量分析を組み合わせた手法により、乾燥ストレスの初期においてサブクラス I SnRK2と相互作用する因子の同定を試みました。その結果、MAPキナーゼキナーゼキナーゼに属する三つのRAFキナーゼ、RAF18, RAF20, RAF24(RAF18/20/24)(注2)がサブクラス I SnRK2の新規な相互作用因子として同定されました。このRAF18/20/24は水分欠乏ストレスの初期段階において素早くリン酸化することが報告されていましたが、その生理学的な役割は明らかになっていませんでした。共同研究グループは、このRAF18/20/24が直接的にサブクラス I SnRK2をリン酸化し、活性化することを見出しました。RAF18/20/24遺伝子が欠損したraf18/20/24変異体において、乾燥ストレスに応答したサブクラス I SnRK2の活性化が見られなくなったことから(図1)、RAF18/20/24は生体内においてサブクラス I SnRK2の活性化因子である事が示されました。さらにraf18/20/24変異体は、乾燥ストレス条件下においてサブクラス I SnRK2遺伝子が欠損したsrk2abgh変異体と同様の成育遅延を示したことからRAF18/20/24とサブクラス I SnRK2は同一経路で機能していることが明らかになりました(図2)。

　そこで、raf18/20/24変異体とsrk2abgh変異体を用いてトランスクリプトーム解析(注4)を行いました。するとraf18/20/24変異体とsrk2abgh変異体において、乾燥ストレス時に発現が減少する遺伝子群が野生型株と比較して高レベルで発現していることがわかりました。逆にraf18/20/24変異体とsrk2abgh変異体において乾燥ストレス時に発現が上昇する遺伝子は、野生型株と比較して低下していることがわかりました。これらの結果から、RAF18/20/24によるサブクラス I SnRK2の活性化経路は、不要なmRNAの分解と乾燥ストレス誘導性遺伝子の発現を効率化させることで乾燥時の植物の成長を維持していると考えられました。

　以上より、ABA-サブクラスIII SnRK2-AREB経路がストレス耐性遺伝子群の発現を誘導することでストレス耐性を獲得しているのに対し、RAF18/20/24-サブクラス I SnRK2-VCS経路は不要なmRNAを分解することで、ストレス時に必要な遺伝子発現をより効率的に誘導し、植物の成長を促進していると考えられます(図3)。また、サブクラス I SnRK2はABAの生合成を介さずにRAF18/20/24によって直接活性化されるため、乾燥ストレスに応答して素早く活性化するために有利であると考えられます。本研究で明らかになったRAFキナーゼやサブクラス I SnRK2はイネやトマトといった作物でも広く保存されています。そのためRAF18/20/24をターゲットにした分子育種やこれらの活性を制御する薬剤の開発等により、干ばつや塩害などの水分欠乏ストレス時における作物の成育や収量を向上させる技術開発への応用が期待されます。

発表雑誌

雑誌名

「Nature Communications」11, Article number: 1373 (2020)(3月13日掲載)

論文タイトル

Plant Raf-like kinases regulate the mRNA population upstream of ABA-unresponsive SnRK2 kinases under drought stress

著者

Fumiyuki Soma, Fuminori Takahashi, Takamasa Suzuki, Kazuo Shinozaki, Kazuko Yamaguchi-Shinozaki*

DOI番号

10.1038/s41467-020-15239-3

論文URL

https://doi.org/10.1038/s41467-020-15239-3

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
学術振興会特別研究員　相馬　史幸(そうま　ふみゆき)
Tel:03-5841-8111
Fax:03-5841-8009
E-mail:afsoma<アット>mail.ecc.u-tokyo.ac.jp　<アット>を@に変えてください。

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(しのざき　かずこ)
Tel:03-5841-8137
Fax:03-5841-8009
E-mail:akys<アット>mail.ecc.u-tokyo.ac.jp　<アット>を@に変えてください。

用語解説

• 注1　アブシシ酸(ABA)
  　植物ホルモンの一種。植物が乾燥ストレスにさらされた時に、ABA生合成が活性化される。ABAはストレス耐性付与に関与する遺伝子の発現を誘導したり、気孔閉鎖を誘導することで植物の乾燥耐性の獲得に寄与する。
• 注2　RAFタンパク質キナーゼ
  　MAPキナーゼキナーゼキナーゼ(MAPKKK)ファミリーに属するタンパク質キナーゼの一種で、MAPキナーゼカスケードの最上流に位置すると考えられる。シロイヌナズナでは80種類存在するMAPKKKのうち、48種類がRAFキナーゼに分類される。。
• 注3　VARICOSE(VCS)
  　mRNA脱キャップ複合体構成因子の一つ。mRNAの5’末端に存在する5’キャップ構造を除去するDCP2と、脱キャップ活性化因子であるDCP1の足場タンパク質として機能することで、脱キャップ反応を促進している。mRNA脱キャップされたmRNAはエキソヌクレアーゼによって分解される。
• 注4　トランスクリプトーム解析
  　細胞内の全転写産物(mRNA)を解析する実験方法。マイクロアレイ法やRNAseq解析法が用いられる。ストレスに応答した細胞内におけるmRNAの増減(遺伝子発現)を網羅的に知ることができる。