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 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

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研究内容 研究内容

環境ストレス応答や耐性機構で働く遺伝子群の機能解析

主にシロイヌナズナとイネを用いて乾燥や塩や低温等の環境ストレス誘導性遺伝子やこれらの遺伝子の発現に関与する種々の転写因子遺伝子やストレスの受容やその情報伝達系で機能するタンパク質キナーゼ遺伝子をマイクロアレイ法や酵母のワンハイブリッド法などを用いて単離した。

さらにこれらの遺伝子群を、植物のプロトプラストを用いたトランジェント発現系、過剰発現型の形質転換植物、RNAiやリプレッションドメインを用いた発現抑制型の形質転換植物、タギングされた変異体、マイクロアレイ法などを用いて解析し機能を明らかにした。ダイズやトウモロコシの遺伝子に関しても相同性遺伝子の解析を行っており、種々の作物へ研究の発展を試みている。

環境ストレスに応答するプロモーターの機能解析

GUS遺伝子やLUC遺伝子などのリポーター遺伝子を用いて、乾燥や塩や低温などのストレス誘導性や再給水誘導性遺伝子などのプロモーター領域を形質転換植物で解析して、ストレス応答に重要なシス因子を同定した。また、過剰発現型の形質転換植物を用いてマイクロアレイ解析を行うことでストレス応答に関与する転写因子の結合サイトを同定した。

有用遺伝子やストレス誘導性遺伝子を用いた環境ストレス耐性植物の開発

機能を明らかにした環境ストレス応答や耐性機構で働く遺伝子とストレス誘導性プロモーターを組み合わせ植物に導入することで、種々の環境ストレス耐性植物の開発を行ってきた。これらの技術は共同研究によりさらに多くの作物に応用されようとしている。

浸透圧ストレスへの初期応答機構の解明と、乾燥ストレス耐性作物の作出技術の開発

植物が乾燥や高濃度の塩などにさらされると、細胞の水分が欠乏します。このような状態が、浸透圧ストレスです。水分の欠乏は、細胞の機能を低下させ、生育悪化や枯死を引き起こします。しかし、植物は浸透圧ストレスを感知し、様々な耐性遺伝子を働かせることで、浸透圧ストレスに耐える力を備えています。当研究室では、これまでに様々な転写因子がこのような耐性遺伝子の働きをまとめて制御する鍵因子として働いていることを明らかにしてきました(図1)。しかし、植物が浸透圧ストレスを感知する仕組みや、浸透圧ストレスによって転写因子が活性化する仕組みは、まだ解明されていません。そこで、モデル植物のシロイヌナズナを使って、これらの仕組みの解明を目指しています。また、得られた知見を作物のストレス耐性向上に生かす技術を開発しています(図2)。

図1.植物が浸透圧ストレスを受けると、様々な転写因子の働きによって耐性に関わる遺伝子の発現が変化し、ストレス耐性が向上します。

図2.ダイズにおいて乾燥ストレスに応答して働く転写因子GmDREB2A;2を発現するシロイヌナズナの形質転換体は、乾燥ストレスに強くなります。

SnRK2タンパク質リン酸化酵素を介した浸透圧ストレスシグナル伝達機構の解明

植物が乾燥や高塩濃度などの浸透圧ストレスを受けると、植物ホルモンのアブシシン酸(ABA)が細胞内に蓄積し、気孔の閉鎖やストレス応答性遺伝子の発現誘導が引き起こされます。SnRK2はコケ、シダを含む陸上植物に保存されたタンパク質リン酸化酵素であり、ABAまたは浸透圧ストレスによって活性化されます。これまでに逆遺伝学的および分子生物学的解析を用いて、3個のSnRK2がABAシグナル伝達の正の制御因子として中心的な役割を果たしていることを示し、SnRK2がABAにより活性化されるメカニズムを明らかにしました(図)。さらに、SnRK2が直接浸透圧ストレスによって活性化されるメカニズムを明らかにするため、プロテオーム解析技術を用い、SnRK2と相互作用する未知の因子を網羅的に探索しています。

植物の低温初期応答における遺伝子発現制御機構の解明

低温は植物の生長を阻害する大きな環境要因です。低温ストレス下でも十分生育できる作物の開発を目指して、低温ストレスによって誘導される遺伝子の発現制御機構について研究を行っています。
 DREB1Aは、環境ストレス下で発現が誘導される遺伝子のプロモーター上に数多く存在するDREというシス配列に結合し、転写を活性化する転写因子です。DREB1A遺伝子の発現は低温ストレスによって顕著に誘導されます。また、DREB1Aと高い相同性を持つDREB1BDREB1Cの発現も低温ストレスによって同様に誘導されます。これらのプロモーターには高い相同性を持つ領域が多数存在しており、DREB1の転写に関わる共通の制御機構が存在すると考えられます。そこで、この領域中に存在している低温ストレスに応答した転写制御に関わるシス配列を同定するとともに、これに関わる制御因子を単離してその機能を明らかにすることにより、低温の初期応答における遺伝子発現誘導機構の解明を目指しています。

図1. DREB1 形質転換植物でのストレス耐性の向上
DREB1A遺伝子をシロイヌナズナやイネで高発現すると植物の凍結や乾燥に対する耐性が向上します。

図2. 低温ストレス応答で重要な機能を果たす転写因子DREB1の低温ストレス誘導のモデル図

高温ストレス応答を制御する遺伝子の機能解析

高温は農業に大きな被害を与える環境ストレスの一つです。地球温暖化の進行により、今後は高温ストレスによる農作物の被害がますます増加していくと予想されます。そのため、高温ストレスに強い植物を作出することはとても重要な研究課題となっています。
 動物と異なり、植物は暑さを感じても日陰や土の中に逃げることができません。そのため、植物は高温環境下でも生き残るために独自の高温ストレス応答機構を発達させていると考えられます。私たちは高温ストレス応答を制御する転写因子に注目し、その転写因子の活性制御機構や下流遺伝子を解析することで、植物が高温ストレスを感知し、適応していく仕組みを明らかにしようとしています。解明した仕組みを改良することで、高温ストレスに強い作物が育種できると期待されます。

HsfA1は高温ストレス応答のマスターレギュレーターとしてはたらき、HsfA2DREB2Aなどの多数の下流遺伝子の転写を活性化します。HsfA1下流遺伝子群はHSPなどの高温ストレス耐性関連遺伝子の発現を強く誘導することで高い高温ストレス耐性をもたらします。

環境ストレスにさらされた植物の生育の制御

環境ストレスにさらされた植物は、その生育が抑制され背丈が小さくなってしまいます。この抑制は、生育のためのエネルギーの消費を節約するためであると考えられていますが、この仕組みの詳細はまだ良く分かっていません。

当研究室では、環境ストレス条件下において生育を制御する仕組みを分子レベルで明らかにする研究に取り組んでいます。最近、この仕組みに関わることが予想される遺伝子を同定することに成功しました。

今後、環境ストレス条件下において生育を制御する仕組みの全貌を明らかにし、これまで栽培が困難であった非耕作地でも栽培が可能でかつ高いバイオマス生産性を有する新しいタイプのストレス耐性作物を開発することを目指しています。