217
化学と生物 Vol. 53, No. 4, 2015
キチナーゼの性質からみた食虫植物の消化機構
ウツボカズラの消化酵素の役割を考える
世界中に食虫植物は550種以上存在していると言われ ているが，食虫植物は補虫機構によって2種に大別する ことができる．すなわち，能動的に補虫器官が動いて補 虫するタイプと，補虫器官が動かずに補虫するタイプに 分別することができる(1)．前者は，ハエ取り紙のように 粘着性の液体を分泌し，捕えた虫を巻き込むモウセンゴ ケ（ 属）や二枚貝状の捕虫器で虫を挟み込むハ エトリグサ（ 属）などがある．後者の部類とし ては，粘性物を茎や葉から分泌する 属や
属，筒状の補虫器をもつヘイシソウ（
属），あるいは壺状の補虫器をもつウツボカズラ（
属）や 属などがある(2).
なかでも，インドのアッサム地方から東南アジアの熱 帯で見られる 属は120種以上の種が確認されて おり，壺状の葉の中に消化液を満たした補虫器をもって いる．葉から伸びたつるの先端にある捕虫器原基が徐々 に膨れていき（図
1
A），壺状の捕虫器になる（図1B）． 壺の蓋が開く頃が一番大きい状態であり（図1B），やが て蓋もしぼんで枯れ果てていく（図1C）． 属 については，補虫器官の形態と材質，消化液中のタンパ ク質や二次代謝物に関してさまざまな研究が報告されている(3〜5)．本稿では，消化酵素にかかわる最近の知見を
述べてみたい．
一般的に，食虫植物は土壌の栄養が不十分なところで 生育していることが多く，主に窒素源の不足を補虫する ことで補うと考えられている．しかし，食した後は「消 化」活動が必要であり，いくら捕食しても効率よく消化 ができなければエネルギーを補充することはできない．
ウツボカズラの昆虫消化機構は19世紀後半から注目さ れており，消化液に含まれる “Ferment” （Enzymeの 古い呼び名）がタンパク質を分解すると報告されてい る(6)．近年のプロテオーム分析によって，
の生育初期の消化液中のタンパク質が同定された が，プロテアーゼであるネペンテンシンIとII,
β
-1,3-グ ルカナーゼ，甘味タンパク質であるタウマチンと類似し たタンパク質，およびキチナーゼ（NaCHIT1）といっ たタンパク質が存在することがわかった(7)．上述の酵素 やタンパク質はいわゆるPR（Pathogen related）タンパク質として植物感染防御の際に生産されるタンパク質 が含まれている．補虫器の発達とともに上記のタンパク 質が蓄積されてくるので，ウツボカズラはこれらのタン パク質を補虫した獲物の消化に利用していることが考え られる．昆虫の外骨格や羽根などには -アセチル基を 含む多糖類であるキチンで構成されており，分泌された キチナーゼは昆虫消化のために何らかの役割をもってい るはずである．消化液中に含まれるキチナーゼの作用機 構を明らかにするために，筆者らは2種類のキチナーゼ の性質を詳細に解析した．
植物が生産するキチナーゼはアミノ酸配列や触媒ドメ インの構造によって少なくとも5種類に分類されてい る(8)．NaCHIT1は分子量29,000ほどのタンパク質であ
図1■ウツボカズラの補虫器
（A）補虫器原器．（B）成熟した補虫器．（C）末期の補虫器．
今日の話題
218 化学と生物 Vol. 53, No. 4, 2015
り，クラスIVに分類されている．筆者らはNaCHIT1の 基質特異性を調べるために，多糖類基質であるコロイダ ルキチン，
β
-キチン，水溶性のキチン誘導体であるグラ イコールキチン，およびオリゴ糖基質であるキチンオリ ゴ糖［（GlcNAc）3‒6］と -ニトロフェニルキトビオシドを 用いて分解活性を調べた(9)．すると，NaCHIT1はβ
-キチ ンとコロイダルキチンを分解せず，（GlcNAc）4‒6を効率 よく加水分解することがわかった．また，NaCHIT1に よる（GlcNAc）4‒6に対する加水分解活性を速度論的に解 析してみると，重合度が低下するほど基質阻害の程度が 強くなる現象が見られた．グライコールキチンに対する 活性は若干検出（0.1 U/mg）されたが， の消化 液が示したグライコールキチン分解活性と比較して微弱 な活性であった．このことから，多糖類のキチンを加水 分解する別のキチナーゼが存在するではないかと筆者ら は考えていた．HatanoとHamadaによってさらに消化液 のプロテオーム解析が進められた結果，新たにクラスIII に属するキチナーゼ（NaCHIT3, 分子量25,000）が存在 することがわかった(10)．先述の基質に対するNaCHIT3 の活性を調べてみると，コロイダルキチン（0.6 U/mg）， グライコールキチン（2.2 U/mg），および（GlcNAc）5‒6を加水分解することが明らかになった(11)．またNaCHIT1 とNaCHIT3による加水分解活性のpH依存性を調べて みると，NaCHIT1によるキチンオリゴ糖分解活性の至
適pHは5.5であった．一方，NaCHIT3の場合，キチン オリゴ糖分解活性の至適pHは3.9であり，コロイダルキ チン分解活性の至適pHは3.9〜6.9であった．
ところで，補虫器の蓋が開き始めた頃のウツボカズラ の消化液のpHは4付近であるが，ハエやキチンを添加 するとpHが5.5付近まで増加することが報告されてい
る(10, 12)．このpHの変動と両酵素の基質特異性から，
NaCHIT1とNaCHIT3の役割を次のように考えること ができないだろうか？ すなわち，ウツボカズラによる 昆虫の補食初期段階では，主にNaCHIT3が餌由来キチ ンに作用して，ある程度の重合度まで分解する．次に消 化 液 中 のpHが 上 昇 す る と，NaCHIT3だ け で は な く NaCHIT1も基質分解に参加して中鎖あるいは短鎖のキ チンを効率よく加水分解するという機構である（図
2
）． また，補虫器内に含まれる溶液にキチンを添加する と，120 kDaの未知タンパク質とペルオキシダーゼの分 泌が誘導されることが確認されている(10)．これらのタ ンパク質は，キチンそのもの，もしくは，先述のキチン 分解機構によって産生されたキチンオリゴ糖によって誘 導されることが考えられた（図2）．そして，捕虫器内 に分泌されたペルオキシダーゼにより活性酸素が発生 し，その活性酸素により捕食された昆虫のタンパク質が 酸化されることによって，ネペンテンシンなどによるタ ンパク質分解が促進されることも考えられる．図2■ウツボカズラが生産するキチナー ゼによるキチン分解モデル
今日の話題
219
化学と生物 Vol. 53, No. 4, 2015
ウツボカズラが補虫した獲物は自身が分泌する酵素だ けではなく，生育後期の消化液内で繁殖した微生物が増 殖して補虫した獲物を消化すると考えられてきた．2011 年に の補虫器官内の消化液のメタゲ ノム解析が行われたが，主に 属，
属および好酸性のバクテリアが存在することが報告 された(13)．これらの菌から好酸性のリパーゼもクロー ニングされたが，昆虫分解にリパーゼがどのように寄与 しているのかは明らかにされていない．
ウツボカズラとその消化液内の上記微生物の共生関係 は補虫器官の進化を探るうえで興味深い関係である．今 後，共生菌を含むウツボカズラの消化液内のさまざまな 酵素の性質決定を進めていけば，食虫植物の補虫器官の さまざまな成長過程における昆虫消化機構の詳細を明ら かにすることができると考えている．
1) A. Slack: “Carnivorous plants,” MIT Press, 2000.
2) 近藤勝彦，近藤誠宏 カラー版 食虫植物図鑑 ，家の光
協会，2006.
3) 安 忠一，福崎英一郎，小林昭雄：植物の生長調節，37, 139 (2002).
4) A. Mithöfer: , 72, 1678 (2011).
5) 濱田達朗：生物工学会誌，90, 659 (2012).
6) S. H. Vines: , 11, 124 (1876).
7) N. Hatano & T. Hamada: , 7, 809 (2008).
8) T. Taira: , 57, 167 (2010).
9) K. Ishisaki, Y. Honda, H. Taniguchi, N. Hatano & T.
Hamada: , 22, 345 (2012).
10) N. Hatano & T. Hamada: , 75, 4844 (2012).
11) K. Ishisaki, S. Arai, T. Hamada & Y. Honda:
, 361, 170 (2012).
12) C. I. An, E. Fukusaki & A. Kobayashi: , 212, 547 (2001).
13) T. Morohoshi, M. Oikawa, S. Sato, N. Kikuchi, N. Kato &
T. Ikeda: , 112, 315 (2011).
（本多裕司
*
1，石﨑佳奈*
1, 2，濱田達朗*
3，*
1 石川県立 大学生物資源環境学部，*
2 石川県農林総合研究セン ター，*
3 石川県立大学生物資源工学研究所）プロフィル
本多 裕司（Yuji HONDA）
＜略歴＞1995年近畿大学農学部食品栄養 学科卒業／1997年同大学大学院農学研究 科農芸化学専攻博士前期課程修了／2000 年大阪府立大学大学院生命科学研究科応用 生命化学専攻博士後期課程修了，博士（農 学） 取 得／2000年 食 品 総 合 研 究 所（現，
農研機構・食品総合研究所）にて，（旧）生 研機構，科学技術振興事業団および日本学 術振興会の特別研究員／2006年石川県立 大学生物資源環境学部食品科学科助手／
2008年同准教授，現在に至る＜研究テー マと抱負＞合成基質やタンパク質工学を用 いた糖質関連酵素の機能解析をやってきま した．最近は澱粉やグルテンフリー米粉パ ンに関する研究をしています．これからも 酵素と糖に関する研究を継続していきたい
＜趣味＞幼稚園児の息子と「北陸阿呆列 車」をすること．同じ学科の小栁喬先生と
「全国阿房列車」を妄想すること＜所属研 究室ホームページ＞http://www.ishikawa- pu.ac.jp/undergraduate/food̲field/food3/
石﨑 佳奈（Kana ISHISAKI）
＜略歴＞2010年石川県立大学生物資源環 境学部卒業／2012年同大学大学院生物資 源環境学研究科博士前期課程修了／同年石 川県農林総合研究センター農業試験場資源 加工研究部流通加工グループ技師，現在に 至る＜研究テーマと抱負＞石川県農林水産 物の機能性成分検索，新規加工法開発に取 り組んでいます＜趣味＞合唱
濱田 達朗（Tatsuro HAMADA）
＜略歴＞1993年九州大学理学部生物学科 卒業／1995年同大学大学院理学研究科修 士課程修了／1998年同大学大学院理学研 究科博士後期課程修了，博士（理学）取 得／1995年日本学術振興会特別研究員／
1998年石川県農業短期大学農業資源研究 所助手／2005年石川県立大学生物資源工 学研究所助手／2006年同助教／2008年同 准教授，現在に至る＜研究テーマと抱負＞
食虫植物の捕虫機構の解明．植物における 分泌性プロテアーゼの生理機能の解明＜趣 味＞写真撮影，家庭菜園，城めぐり＜所属 研究室ホームページ＞http://www.ishika wa-pu.ac.jp/research/research̲institute/
plantcell/
Copyright © 2015 公益社団法人日本農芸化学会
