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東京大学大学院農学生命科学研究科
附属生態調和農学機構
Graduate School of Agricultural and Life Sciences,The University of Tokyo
Institute for Sustainable Agro-ecosystem Services

河鰭研究室

 ・生産生態学協力講座（生産・環境生物学専攻 ）
・生態調和工学協力講座（生物・環境工学専攻）

 

私たちの暮らしは多様な植物に支えられています．カロリーで表される食糧が足りるだけでは，私たちは，心身共に健康で豊 かな暮らしをおくることはできません．衣食住をはじめとして，医薬品，工業製品の原料，工芸産物，香料，顔料，その他種々の日用品など様ありとあらゆ るものが植物からつくられ，文化的な生活を支えています． しかし，このような植物の恩恵をいつまで私たちは享受することができるでしょうか．近代の農業は，水資源，肥料資源，エネルギー資源を大量に消費しており，いつか資源は尽 きてしまいます．一方で，有機農業などの持続的農業といわれる方法で人類すべてをまかなうことはとても不可能です．人類が植物の恩恵を100年後にも 享受できるよう，植物資源を守り，再生可能なかたちで利用していく方法の開発が求められています． 私たちの研究室では，特に，１）グローバルな環境変化の作物への影響，２）植物工場を含む新しい作物生産システムの開発，３）園芸植物のもつ特有な形質を理解するための基 礎研究を行っています．

 

    八重咲き性に関する研究

園芸品種としては，より豪華にみえる八重咲きと呼ばれる花弁数の多い品種が好まれます．花器官数が定数の植物では基本的な構造は一重咲きであり，八 重咲きは人為的な選抜がなされない限り珍しく奇形花の一つとされ，2000年以上前から数々の記述が残っています．シロイヌナズナでは，ある花器官が 他のタイプの花器官へと変化したホメオティック変異体が多数確認されています．一般的に八重咲きとは，ABCモデルに基づき，雄しべ，雌しべなどの花 器官が変化して花弁となる現象（弁化）によって，本来の花弁数が増加した花とされています．この説明では，八重咲きはCクラス遺伝子の機能が失われた ために生じるもので，雄しべは形成されず，従って不稔となります．しかし，八重咲きの園芸品種をひろく調べると，雄しべが正常に形成される八重品種も あります．スイレンのようなもともと花器官数が無数（らせん型）の種だけでなく，トルコギキョウのように本来花器官数が定数（ホール型）でありながら 雄しべが弁化せずに花弁数が増えるものが存在します．トルコギキョウでは花弁を形成するホール数そのものが増加し，雄しべ・雌しべは正常に形成され， 優性形質をします．
この研究では，八重咲き性の原因遺伝子を明らかにするため，八重咲き（ ‘620’）および一重咲き(‘503’)系統のトルコギキョウ間でF2集団を作成し，RAD-seqにより八重咲き原因遺伝子の同定を行っている．また，次世代シークエ ンサを用いてトルコギキョウの全ゲノムを解読している．これらはデータベース登録を進めているところである．

    トルコギキョウ

 

    インドアファーム　Indoor Farm

植物工場といわれる屋内型の栽培施設は，天候に左右されずに安定的に1年を通して作物を栽培できますが，一方で，建設コスト，ランニングコストいず れも高額であるデメリットがありました．また，一般的な植物工場が建築物であるため，農地には建設しにくいという問題もあります．これらの問題を解決 するため，私たちはパイプと特殊なフィルムだけからなる簡易的な省エネ型植物工場をつくり，その実証試験を行っています．従来の植物工場では，熱伝導 率の低い素材（断熱材）を壁材に用いて内壁の温度の上昇を抑えています．しかし，内壁の温度を低く抑えなくても室内への熱の侵入を低く抑えることは可 能です．熱の伝わり方には，熱伝導，対流，放射があり，放射率の低いアルミ素材を用いることでかなり遮熱をすることができます．熱伝導率もある程度抑 えた特殊な遮熱シートと単管パイプ，農業用ビニールを用いた簡単な構造に，省エネ型のLEDを組み合わせた約120㎡の栽培室を試験的につくり，実証 実験をしています．今年の夏の実績では，日中の最高外気温が40℃近い時も、家庭用エアコン2台で室内26℃以下にて安定して保つことができました． この栽培室（インドアファーム）を用いて，様々な作物の環境試験を行っています．

    インドアファーム

 

 

    UV-Aによるアントシアニン生合成の誘導に関する研究

植物は光を光合成としてだけでなく，環境に適応するための光シグナルとしても用いています. 光シグナルに応じて，植物は様々な形態をとります．このような光形態形成には徒長抑制，開花，光屈性，気孔の開閉，色素生成などが含まれます. アントシアニン生成は典型的な光刺激に対する応答で，1960年代には赤カブ芽生えを使って研究されました.これらの研究から (i) アントシアニン生成は遠赤色光，赤色光，青色光の単独照射によって誘導されること，(ii) 遠赤色光と赤，青色光と青の同時照射によって生成が促進されること，(iii)赤/遠赤色光可逆反応を示すことなどが明らかとなりました．さらにその後の研究で，紫外線が アントシアニン合成の誘導に特に重要であることが明らかとなりました．
紫外線は波長によりUV-A (320–400 nm), UV-B (280–320 nm) and UV-C (<280nm)に分けられています．太陽から放射される紫外線のうち，UV-Cと大部分のUV-Bと大部分は地球を覆うオゾン層に吸収され，主にUV-Aが地表に 到達します．短波長の紫外線はエネルギーが高いために，物理的にDNA, RNA，タンパク質を破壊しますが，UV-Aや低強度のUV-Bはアントシアニン合成を誘導します．とくにUV-Aは，多くの作物でアントシアニン合成を誘導する主要な紫 外線です．
アントシアニンの機能として，潜在的に植物に傷害を与える紫外線吸収が考えられますが，ほかにも抗酸化物質として組織を酸化ストレスから守る機能が考 えられます． UV-Aを照射した組織では，アントシアニン合成系遺伝子だけでなく多数の活性酸素応答と関連する遺伝子の発現が誘導されます．しかし，UV-Aが植物にどのように感知さ れ，どのように様々な反応を引き起こしているのかは大部分が未解明です．

赤カブには，‘津田蕪’のように肥大部のうち光があたる地上部のみが着色する赤白タイプ，肥大部全体が赤くなるタイプがあります．この赤白タイプで はUV-A特異的にアントシアニン合成が誘導されることが分かっています．そこで，これまでに ‘津田蕪’突然変異体系統を作成し，その中から光非依存的にアントシアニンを合成する突然変異体数系統（写真）とUV-Aを照射しても着色しない数系統を選抜しました．現 在，これらの系統の遺伝解析により，UV-Aによるアントシアニン合成機構の解析を行っています．

 

    トルコギキョウの花の立体形態に関する研究

合弁花類など横幅の広い花弁をもつ花では，花冠を構成する花弁が微妙な立体的湾曲構造をもち，そのために，ロート型，ベル型，コップ型など多様な花 型が形成されます．茎や中仂の様に厚みのある器官では，組織の表裏における差次的な成長によって屈曲が説明されますが，厚みのない葉や花弁のような平 面的な組織では，差次成長によって湾曲が形成されるとは考えられません．たとえば，厚みが0.1mmで半径1cmの屈曲がある場合，表裏の長さの差は 計算上１％にしかならず，このような差は弾性的な組織の伸びにより生じる範囲内であり，この差によって立体的な構造を維持することはできません．むし ろ，平面的な歪みによって形成される力学的な構造によって立体形態が維持されていると考えられます．このような湾曲構造の形成は，花弁内における領域 的な成長の不均一性によって説明できます．ある部分の成長が周囲よりはやいと，その部分が拡大して立体的に構造の歪みが生じ，その部分が膨らんだ湾曲 構造が生じます．たとえば花弁の周囲の成長が速いと，花弁の周囲はフリル状に波打ち，逆に花弁の中心部の成長が速いと，中心部が盛り上がって椀状の形 態になります．
この研究は，花冠の立体形態形成の原因となる領域的に不均一な成長パターンと，それを制御する遺伝子との関連を調べています．

    トルコギキョウの花の立体形態

 

    Publications
  1. Shirasawa, K., Arimoto, R., Hirakawa, H., Ishimorai, M., Ghelfi, A., Miyasaka, M.,Endk, M., Kawabata, S & Isobe, S. (2021). Chromosome-scale genome assembly of Eustoma grandiflorum, the first complete genome sequence in family Gentianaceae. bioRxiv.
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  3. Song, H. D., Yang, J., Mun, N. H., Chen, B., Chen, Y., Kim, P., Kawabata, S., Y., Li, Y. and Wang, Y. (2021). BrLETM2 protein modulates anthocyanin accumulation by promoting ROS production in turnip (Brassica rapa subsp. rapa). International Journal of Molecular Sciences, 22(7), 3538.
  4. Yang, J., Song, H. D., Chen, Y., Chen, B., Kim, M., Kim, P., ... & Wang, Y. (2021). A single amino acid substitution in the R2R3 conserved domain of the BrPAP1a transcription factor impairs anthocyanin production in turnip (Brassica rapa subsp. rapa). Plant Physiology and Biochemistry, 162, 124-136.
  5. Wang, L., Xue, W., Li, X., Li, J., Wu, J., Xie, L., S., Kawabata, Y., Li, & Zhang, Y. (2020). EgMIXTA1, a MYB-Type transcription factor, promotes cuticular wax formation in Eustoma grandiflorum leaves. Frontiers in Plant Science, 11, 1551.
  6. Kim, M. J., Kim, P., Chen, Y., Chen, B., Yang, J., Liu, X., S. Kawabata, Y., Wang & Li, Y. (2020). Blue and UV‐B light synergistically induce anthocyanin accumulation by co‐activating nitrate reductase gene expression in Anthocyanin fruit (Aft) tomato. Plant Biology 23, 210-220.
  7. Yang, J. F., Chen, Y. Z., Kawabata, S., Li, Y. H., & Wang, Y. (2017). Identification of light-independent anthocyanin biosynthesis mutants induced by ethyl methane sulfonate in Turnip “Tsuda”(Brassica rapa). International Journal of Molecular Sciences, 18(7), 1288.
  8. Wang, X., Wang, Y., Chen, B., Kawabata, S., Fang, Z., & Li, Y. (2017). Construction and genetic analysis of anthocyanin-deficient mutants induced by T-DNA insertion in ‘Tsuda’turnip (Brassica rapa). Plant Cell, Tissue and Organ Culture, 131(3), 431-443.
  9. Liu S, Oshita S, Kawabata S, Thuyet DQ. 2017. Nanobubble water's promotion effect of barley (Hordeum vulgare L.) sprouts supported by RNA-Seq analysis. Langmuir, 33(43), 12478-12486.
  10. Zheng, Huan and Saneyuki Kawabata. 2017. Identification and validation of new alleles of FALSIFLORA and COMPOUND INFLORESCENCE genes controlling the number of branches in tomato inflorescence. International Journal of Molecular Sciences, 18: 1572.
  11. Jian-Fei Yang, Yun-Zhu Chen, Saneyuki Kawabata, Yu-Hua Li, Yu Wang. 2017. Identification of light-independent anthocyanin mutants induced by ethyl methane sulfonate in turnip ‘Tsuda’ (Brassica rapa). International Journal of Molecular Sciences, 18: 1288.
  12. Liu S, Oshita ., Kawabata S, Makino Y, Yoshimoto, T. 2016. Identification of ROS produced by nanobubbles and their positive and negative effects on vegetable seed germination. Langmuir 32, 11295−11302.
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