植物の成長を左右する・植物が環境に反応する速さなどを解析

遺伝子の活動が植物の成長を左右する仕組みや、植物が環境に反応する速さ（光の状態が変化すると、わずか5分で分子が変化する）等が明らかになりました。

When they grew these plants in an environment that simulated shade, the plants without certain PIFs did not elongate or speed up their growth, but instead continued to grow normally as if they were in full sunlight.

参照元：https://www.salk.edu/news-release/how-plants-quickly-adapt-to-shifting-environmental-conditions/
– ソーク研究所 Salk Institute. June 30, 2021 –

科学者や園芸家たちは、植物は近くで育っている隣の植物の陰になると、背が高くなり、早く花が咲くことを長い間知っていました。

今回、ソーク研究所の研究者たちが、このプロセスの詳細な内部構造を初めて明らかにしました。

この研究は、2021年6月17日付の『Nature Genetics』誌に掲載され、遺伝子の活動が植物の成長を左右する仕組みや、植物が環境に反応する速さ（光の状態が変化すると、わずか5分で分子が変化する）について、新たに理解することができました。

今回の研究成果は、気候変動によって地球上の耕作地が減少する中で、収穫量を増やし、世界の食糧生産を守るための知見を提供するものです。

ソーク大学の植物分子細胞生物学研究所の所長で、ハワード・ヒューズ医学研究所の研究者、ハワード・H・アンド・マリアム・R・ニューマン植物生物学講座の教授であるJoanne Chory氏は話します。

「この論文は、植物が環境の微妙な変化に対応する様子を、細胞レベルで高解像度で示しています。」

日陰にいる植物は、キャノピーを突き破ってより多くの光を得ようと、より早く、より高く成長します。

同時に、日陰の生育環境では、他の植物との競争に勝つために、通常よりも早く花を咲かせたり、種子を生産したりします。

このような反応は、草原で育つ野草にとっては有益かもしれませんが、農場では生産量が減り、苦くて質の低い作物になってしまう可能性があります。

今回の研究では、この成長反応の活性化に、特定の転写因子が関与していることを明らかにしました。

転写因子とは、DNAに結合して遺伝子の発現を制御するタンパク質です。

研究チームは、PIF（PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR）と呼ばれる転写因子を欠損した変異体の苗を用いました。

これらの植物を日陰を模した環境で育てたところ、特定のPIFを持たない植物は、伸びたり成長が早まったりすることなく、太陽光を浴びているかのように正常に成長し続けました。

これまでに、Chory研究室は、PIF7が日陰での成長を制御する上で最も重要な役割を果たしていることを明らかにしています。

研究チームは次に、このプロセスにおけるヒストンの役割、特にヒストンバリアントH2A.Zについて詳しく調べました。

ヒストンは、DNAの糸巻きのような役割を果たすタンパク質です。

ヒストンが交換されたり修飾されたりすると、特定の遺伝子を活性化したり抑制したりする働きがあります。

今回の研究では、キャノピーシェードによって、PIF7がDNAに結合することで、成長を制御する遺伝子のヒストンH2A.Zが除去され、その結果、遺伝子の発現が活性化されることがわかりました。

今回の実験では、非常に短い時間間隔で実験を行ったため、植物が日陰を経験してから5分以内に、PIF7が活性化され、標的遺伝子と結合し、H2A.Zの除去が開始されることがわかったそうです。

ハワード・ヒューズ医学研究所の研究者で、ソーク大学ゲノム解析研究室の教授であるジョセフ・エッカー氏は話します。

「今回の研究は、植物が環境の変化に応じて遺伝子発現を変化させる仕組みの解明に向けて、新たな一歩を踏み出すものです。」

これまでの研究では、PIFとH2A.Zが、高温にさらされた植物の応答に重要な役割を果たしていることが明らかになっていたが、そのタイミングは不明であったと、共著者でチョリー研究室のハワード・ヒューズ・メディカル研究所研究員であるビョルン・ウィリゲ氏は指摘します

ウィリゲ氏は話します。

「今回の研究では、そのメカニズムが詳細に明らかになっただけでなく、反応の速さも明らかになりました。PIF7が活性化すると、DNAに結合することがわかりました。そして、私たちのデータは、これがH2A.ZのDNAからの除去につながることを示しています。その後、遺伝子が活性化され、成長が促されて、近隣の植物を凌駕するようになるのです。」

共同研究者であるラトガース大学ワクスマン微生物研究所のマーク・ザンダー助教授は、その速さは予想外だったと言ます。

ザンダー助教授は、5分以内にストレス反応が引き起こされたことに加え、日陰を取り除くとヒストンのランドスケープもすぐに回復したことに注目しました。

ザンダー助教授は話します。

「日陰を取り除くと、PIF7標的遺伝子のH2A.Zのレベルは30分以内に元に戻りました。このプロセスが非常にダイナミックであることに驚かされました。これこそが、私たちの研究をエレガントなものにした基盤なのです。」

PIFは、植物の成長、発達、害虫駆除などに重要な役割を果たしています。

そのため、研究チームは、今回の研究成果を、農家にとって重要な他の植物の反応、特に植物が気候変動への耐性を高めることに関連した反応に応用できると期待しています。

ソーク研究所の「Harnessing Plants Initiative」は、植物が本来持っている炭素の吸収・蓄積能力を最大限に活用することで、気候変動の解決に貢献することを目指しています。