理化学研究所と東大、イネの収量ホルモンを活性化する遺伝子を発見
イネの収量ホルモンを活性化する遺伝子発見
－ ホルモン活性を利用した作物の生産性向上に期待 －
◇ポイント◇
・植物ホルモン「サイトカイニン」の活性化の新規経路を発見
・局所的なサイトカイニンの活性化がイネ花芽分裂組織を刺激
・光合成や穀粒数など植物の生産性を高める利用に期待
独立行政法人理化学研究所（野依良治理事長）と東京大学（小宮山宏総長）は、イネ突然変異体「ｌｏｇ（ログ）（※１）」を解析し、収量をコントロールする植物ホルモンである「サイトカイニン（※２）」の活性化遺伝子を世界で初めて発見しました。理研植物科学研究センター（篠崎一雄センター長）生産機能研究グループ・生産制御研究チームの榊原均グループディレクターと東大大学院農学生命科学研究科（會田勝美研究科長）の経塚淳子助教授の共同研究による成果です。
サイトカイニンは、葉の老化抑制、光合成の活性化、頂芽優勢（ちょうがゆうせい）（※３）の制御やイネの穀粒数の決定など植物の成長、作物の収量にとって極めて重要な働きをする植物ホルモンです。一般的にホルモンは、非常に低い濃度でその能力を発揮するため、通常はまず前駆体として合成され、その後必要に応じて活性化のステップを経ることで機能します。サイトカイニン前駆体の合成に関わる遺伝子はすでにわかっていましたが、一番大切な活性化ステップに働く遺伝子の正体はわかっていませんでした。
今回、研究グループは穂や花の形成が異常になるイネのｌｏｇ 変異体の原因遺伝子「ＬＯＧ」が、サイトカイニンの活性化反応を担う酵素をコードすることを突き止めました。つまり、この遺伝子によって作られるＬＯＧタンパク質がサイトカイニンヌクレオチドから糖リン酸を外し、今まで知られていなかった経路で活性体を作り出すことを明らかにしました。ＬＯＧ遺伝子は、分裂組織の限られた細胞群でのみ働いていることから、植物中で活性型サイトカイニンの量が巧妙に調節されていることがわかります。
ＬＯＧ遺伝子を利用すれば植物体内のサイトカイニン活性を直接コントロールすることが可能になります。今後、さまざまな作物でＬＯＧ遺伝子の機能を人為的に変えることで、生産性向上に大きく貢献するものと期待されます。
本研究成果は、英国の科学雑誌『Ｎａｔｕｒｅ』（２月８日付け）に掲載されます。
１． 背景
植物は、茎と根の先端にある分裂組織が細胞の分裂と分化のバランスを保ちながら持続的に形作りを行うことにより成長します。イネの開花時期には、この分裂組織から花芽が分化します。花芽（はなめ）は私たちが毎日食べているコメに成長するため、‘たわわに実った穂’となるイネ作りの鍵は、花芽が多く作られ、それぞれが確実に実ることです。最近の研究から、花芽を形成する分裂組織が正しく機能するためには植物ホルモンの１つであるサイトカイニン（図１）の働きが重要であることがわかってきました。
サイトカイニンは、葉の老化抑制、光合成の活性化、頂芽優勢やイネの穀粒数の決定など農業にとって重要な働きをする植物ホルモンです。ホルモンは一般的に、必要な場所で必要な時期に非常に低い濃度でその能力を発揮します。そのためにまずホルモン活性がない前駆体として合成されます。サイトカイニンも、まず糖リン酸のついたヌクレオチド体として合成され、必要な時期が来るのを待ちます。活性を持つためには、この糖リン酸が外れなければなりません。これまでサイトカイニン前駆体の合成に関わる遺伝子はわかっていましたが、一番大切な活性化ステップに働く遺伝子の正体はわかっていませんでした。
２． 研究手法と成果
研究グループは穂や花の形成が異常になる（めしべがなく、おしべが１本だけになったりする）イネの突然変異体（ｌｏｎｅｌｙ ｇｕｙ， ｌｏｇ ）の解析を進めました。この変異体では、茎の先端の分裂組織が小さくなるため十分な数の花芽を分化しません。また、まれに形成される花芽も途中で成長を止めてしまいます（図２）。このことから、この変異の原因となるＬＯＧ 遺伝子は、分裂組織が働き続けるために必要な遺伝子であるということがわかりました。ＬＯＧ 遺伝子をマップベースクローニング（※４）で特定したところ、配列情報から、「ＬＯＧは機能未知のタンパク質である」ということになりました。
ところが興味深いことに、ＬＯＧ 遺伝子とよく似た遺伝子が、病原性土壌細菌の一部のゲノム上に存在し、しかもサイトカイニン合成酵素に隣接していることを発見しました。このことからＬＯＧがサイトカイニンの代謝に関わるという着想を得、それを検定した結果、ＬＯＧタンパク質が、サイトカイニンの前駆体であるヌクレオチド体を活性型である塩基体に変換する反応を触媒する酵素であることを解明しました（図３）。実際に変異体の分裂組織では、サイトカイニン誘導型の遺伝子の発現レベルが下がっており、また、変異型のＬＯＧ酵素は活性をほとんど失っていました。以上のことから茎頂部分でのサイトカイニン活性化能力が低下していることがｌｏｇ 変異の原因であると結論付けました。
従来、サイトカイニン活性化の機構はヌクレオチド体からヌクレオシド体をへて塩基体に変換される二段階反応であると考えられてきましたが、ＬＯＧはヌクレオチド体から直接塩基体に変換する機能持ちます。したがって、本研究により、これまで知られていなかった新規な活性化経路の存在が明らかとなりました（図３）。
なお、本研究は理化学研究所、東京大学の共同研究成果ですが、ｌｏｇ 変異体の解析と原因遺伝子の単離・解析は東京大学が、ＬＯＧ 遺伝子がサイトカイニン活性化に関わる仕組みの解明については理研が主となって研究を進めました。
※ここでは、変異体をｌｏｇ、遺伝子をＬＯＧ、タンパク質（酵素）をＬＯＧと表現しています。
３． 今後の期待
２００５年にサイトカイニンがイネの着粒数をコントロールする農業上きわめて重要な植物ホルモンであることを明らかにしました。（２００５／６／２４プレスリリース）これはサイトカイニンの活性を花芽分裂組織で上昇させることでイネの穀粒数を多くすることができるということでした。実際に、着粒数が多く多収性の品種では、茎頂部分でのサイトカイニンの活性が高いことがわかっています。これまではサイトカイニンの分解のステップをコントロールすることしかできませんでしたが、本研究で発見した遺伝子の利用によりサイトカイニンの活性化を直接コントロールできるので、さらなる生産性向上が可能になると期待されます（図４）。
＜補足説明＞
（※１） ｌｏｇ 変異体
ｌｏｇ 変異体では穂に作られる花芽数が減少し、作られた花芽も途中で成長を停止するため、内側の花器官数が減少する。ｌｏｇ 変異体の異常は分裂組織の働きが維持されないことによって引き起こされている。
（※２） サイトカイニン
植物ホルモンの１種。細胞分裂の促進、細胞周期の調節、老化抑制、腋芽の活性化、イネ穀粒数の制御など多様な生理活性を持つ。アデニンの６位の窒素原子に炭素５つのプレニル基をもつ構造が基本骨格であり、側鎖構造の違いによりトランスゼアチン（ｔＺ）、イソペンテニルアデニン（ｉＰ）などが知られている。中でもｔＺの生理活性が最も強い。ヌクレオチド体として合成されたのち、最終的に塩基体になることで活性を示す。
（※３） 頂芽優勢（ちょうがゆうせい）
主茎の先端の芽（頂芽）が活発に成長をしている時に下方にある側芽（腋芽）の成長が抑制される現象。頂芽を切除すると腋芽は成長抑制が解かれて成長を始める。これは頂芽で合成されたオーキシンが下方に移動し、茎の部分のサイトカイニン合成を抑制することで腋芽の成長をコントロールしているからと考えられている。実際にサイトカイニンを腋芽に与えると頂芽を切除しなくても腋芽の成長がみられる。腋芽の１つが成長して新しい頂芽になるとそこで生産されるオーキシンによって再び腋芽の成長は抑制される。
（※４） マップベースクローニング
単離をしようとする遺伝子の近傍に位置するＤＮＡマーカー（ゲノム上に存在する特徴的な塩基配列）を利用して、目的の遺伝子領域を絞り込みながら遺伝子をクローニングする方法。