今日の話題
722 化学と生物 Vol. 51, No. 11, 2013
乾燥ストレス条件下で植物の生長を制御する遺伝子の特定に成功
干ばつ下での植物の生育不良を改善する技術開発の貢献に期待
現在，人口増加を支える食料，飼料生産用作物やエネ ルギーの安定供給を支えるバイオ燃料生産用作物の需要 が上昇している．しかし，それら作物生産に要する耕地 面積を拡大する余地はほとんど残っていない．さらに，
既存の耕地では気候変動の影響により干ばつの強度と頻 度が増すと予測されている．干ばつにさらされた作物 は，光合成器官を含む地上部の生育が抑制され収量やバ イオマス量が低下してしまう．これらの低下を防ぐこと は農業上最も重要な課題の一つである．
植物は，乾燥ストレスに対して非常に敏感である．イ ネやトウモロコシの葉における僅か10%の水分消失は，
細胞の膨圧を0 MPaに低下させ多くの生理的過程に影 響を及ぼす（1）．最も敏感な生理的過程は，細胞の成長や 細胞壁の合成である．これらは，アブシジン酸の合成や 気孔の閉鎖が起こるよりも前に，より乾燥程度の弱い段 階で影響を受ける．このことは，乾燥ストレスによる地 上部の生育抑制は，光合成産物量の減少に伴う二次的な 影響ではなく，光合成産物や水分消費量の節約を目的と した積極的な応答システムの一つである可能性（2） を示 唆している．
今回，筆者らは，イネを用いて と名づけた 遺伝子が乾燥ストレス条件下で植物の生育を制御してい ることを明らかにした（3）． 遺伝子は，シロイヌ ナズナのbasic-helix-loop-helix型の転写制御因子である Phytochrome Interacting Factor （PIF） 4 と高い相同性 を示すイネにおける 様遺伝子である．シロイヌナ ズナのPIF4は，日陰時に茎を伸長させる避陰応答の際
に働く（4）．フィトクロームBとの相互作用によって日陰 を感知し，オーキシン生合成遺伝子の発現を誘導するこ とで，オーキシン含量を高めて茎を伸長させる（5）．一 方，イネの 遺伝子は，フィトクロームBとの相 互作用に重要な保存配列Glu-Leu-X-X-X-X-Gly-Glnの最 後のGlnがGlyに置換していた．実際，筆者らはOsPIL1 とフィトクロームBとの相互作用に関して詳細に解析を 行ったが，相互作用は認められなかった．したがってイ ネのOsPIL1は，シロイヌナズナのPIF4とは異なる未知 の相互作用因子によって，またはOsPIL1単独で機能し ている可能性が示唆された．
非ストレス条件下での 遺伝子の発現パター ンをリアルタイムRT-PCRによって解析した結果，明期 に高く暗期に低い日周変動を示した．興味深いことに，
明期に乾燥ストレス処理を開始すると発現が急激に減少 し，暗期に乾燥ストレス処理を開始すると明期における 発現の上昇が完全に抑制された． 遺伝子のプロ モーター領域をGUS遺伝子につないだキメラ遺伝子を 導入した形質転換イネを用いて， 遺伝子の発現 部位を解析した結果，幼植物体の生育段階では基部にお いて，出穂期の生育段階では節において高い発現が示さ れた．
さらに，OsPIL1の植物体内での機能を解明するため，
ユビキチンプロモーターによる 過剰発現イネ と 機能欠損イネを作製した．機能欠損イネは，
転写因子であるOsPIL1のC末端に植物特異的な転写抑 制ドメインを付加したキメラリプレッサーをイネに導入
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して作製した．このキメラリプレッサーは，植物内で機 能重複する複数の転写因子に対してドミナントに働くこ とが報告されている（6）． 過剰発現イネの場合，
節間伸長が著しく促進し背丈が非常に高くなった（図 1）．一方， 機能欠損イネでは節間伸長が抑制さ れ背丈が低くなった．これらの背丈が変化したイネの節 間の細胞を観察すると， 過剰発現イネでは伸長 した細胞が多く見られ，逆に 機能欠損イネの 節間の細胞は縮小していた．これらの結果より，
過剰発現イネと 機能欠損イネで見られた
背丈の変化は，節間の細胞の大きさの変化によるもので あることが明らかとなった．
の下流遺伝子を探索するため， 過剰 発現イネを用いてマイクロアレイ解析を試みた．
過剰発現イネの幼植物体全体を用いてRNAを抽 出しマイクロアレイ解析を試みたところ，コントロール イネと比べ発現量の変化している遺伝子がほとんど検出 されなかった．そこで， 遺伝子の発現量の高 かった出穂期の節の部位に限定して同様のマイクロアレ イ解析を試みた．その結果，コントロールイネと比 べ 過剰発現イネ中で発現量の変化している遺 伝子を数多く検出することに成功した．これらの遺伝子 の多くは乾燥ストレス時に発現が減少する発現パターン を示した．また，エクスパンシンなどの細胞壁関連遺伝 子が数多く含まれていた．エクスパンシンのプロモー ターを 遺伝子につないだレポーターとユビキチン プロモーターを 遺伝子につないだエフェク ターをイネ葉肉細胞中で一過的に発現させた解析によ り，OsPIL1がエクスパンシン遺伝子の発現を正に制御 していることを明らかにした．
これらの結果より，通常生育条件下では日周変動の制 御を受けるOsPIL1は，エクスパンシン遺伝子の発現を 誘導することで，細胞壁の合成を促進し生長を促してい ることが示された．一方，乾燥ストレスを受けた植物で は， 遺伝子の発現を低下させることで細胞壁の 合成を抑制し生長を抑えていることが示された（図2）． これまでに，乾燥ストレス耐性遺伝子を用いたストレ ス耐性作物の開発に関しては多くの報告があったが，生
コントロール OsPIL1 イネ
過剰発現イネ
図1■通常生育条件下で育てた 過剰発現イネ（左）と標 準的なイネ（右）の背丈
通常生育条件下で 過剰発現イネを育てた場合，標準的な コントロールイネと比べ背丈が大幅に上昇した．
OsPIL1 OsPIL1
図2■通常生育条件下（左）とストレス条件下（右）でのイネの生 育におけるOsPIL1の役割
通常生育条件下では，光により 遺伝子の発現が誘導され 細胞の伸長が増加し良好な生育を示す．一方，ストレス条件下で は， 遺伝子の発現が抑制され細胞の伸長が阻害され生育 の阻害が起こる．
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育の低下や収量の減少が問題になっていた．今後，
遺伝子を乾燥ストレス耐性遺伝子と併用すること によって，干ばつなどのストレス条件下においても生育 が抑制されない生育安定型のストレス耐性作物や，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高バイオマス生産型のス トレス耐性作物の開発に展開できる可能性が考えられ る．
1） 巽 二郎編，平沢 正： 地球環境と作物，博友社，2007,
p. 38.
2） A. Skirycz : , 29, 212 （2011）.
3） D. Todaka : , 109, 15947
（2012）.
4） P. Leivar : , 16, 19 （2011）.
5） J. J. Casal : , 64, 403 （2013）.
6） K. Hiratsu : , 34, 733 （2003）.
（戸高大輔，篠崎和子，東京大学大学院農学生命科学 研究科）
プロフィル
戸高 大輔（Daisuke TODAKA）
＜略歴＞2003年東京農工大学大学院連合 農学研究科博士課程修了／国際農林水産業 研究センター（特別研究員）／2013年東京 大学大学院農学生命科学研究科（特任助 教），現在に至る＜研究テーマと抱負＞イ ネの環境ストレス応答機構の解明＜趣味＞
サッカー 篠崎 和子
（Kazuko YAMAGUCHI-SHINOZAKI）
＜略歴＞1982年東京工業大学大学院総合 理工学研究科博士課程修了／国立遺伝学 研究所（学術振興会特別研究員），1987年 ロックフェラー大学（博士研究員），1989 年理化学研究所（基礎化学特別研究員）， 1993年国際農林水産業研究センター（主 任研究官）／2004年東京大学大学院農学生 命科学研究科（教授），現在に至る＜研究 テーマと抱負＞植物の環境ストレス応答と 生長制御のクロストークの解明と分子育種
＜趣味＞芸術鑑賞，料理
