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東京農業大学大学院生命科学研究科の太治輝昭教授を中心とする研究グループは、乾燥・塩・高温耐性が損なわれるシロイヌナズナの突然変異体を用いて、植物の全身を覆うワックス合成がそれらのストレス耐性に必須であること、ワックス量を調整することで植物の乾燥・塩・高温耐性を増強可能な遺伝子を発見した。この遺伝子は植物の様々な環境ストレス耐性を向上させることから、干ばつや温度上昇など幅広い環境変動に適応する作物育種への応用が期待される。
〈植物の環境ストレス耐性を向上させるための研究を推進〉
近年、地球温暖化の影響により、世界中で干ばつ（乾燥）・塩害・日照り（高温障害）が多発しており、農業生産に甚大な被害が発生している。
こうした中、これまでに多くの研究者が植物の環境ストレス耐性を向上させるための基礎研究、さらにはその成果を利用した作物育種に取り組んできた。しかし、未だに応用面で十分な成果が得られていない。その一因として、実際のほ場ではこれらの環境ストレスが複合的に生じるため、単一のストレス耐性増強では不十分であり、幅広い環境変動に適応させる育種戦略の必要性が考えられる。
研究グループでは、これまで数百のシロイヌナズナ野生系統を比較することで、水不足に耐性を示す野生系統を見出し、その水不足耐性の多様性を決定する遺伝子を同定した。しかし、水不足耐性を示す野生系統の耐性メカニズムは明らかになっていなかった。
研究成果のポイント
今回の研究では、水不足耐性を示す野生系統に突然変異処理を施し、水不足耐性が損なわれた突然変異株「ａｏｄ２」を単離した。ａｏｄ２変異株は野生株と比較して、乾燥・塩・高温と幅広いストレス耐性が損なわれていた。その原因遺伝子を特定した結果、極長鎖脂肪酸合成に寄与するエノイル‐ＣｏＡ還元酵素をコードするＣＥＲ１０遺伝子であることが分かった。植物は乾燥や外部からの物理刺激から身を守るため、葉・根・茎をはじめとする植物体全身がワックス（クチクラワックス）で覆われている。ａｏｄ２変異株は野生株と比較してワックスが著しく減少していた。
一方、研究グループは、数百の遺伝子を個別に過剰発現させたシロイヌナズナのトランスジェニック植物系統より、水不足耐性が向上したトランスジェニック植物系統のスクリーニングを行った。その結果、酸化還元酵素のシトクロムＰ４５０をコードするＫＬＵ遺伝子を過剰発現させた植物（ＫＬＵ過剰発現株）が、乾燥・塩・高温耐性を著しく向上させることが分かった。ＫＬＵ過剰発現株の葉が野生型と比較して明らかな光沢を示すことから、電子顕微鏡で植物体表面のワックス構造を確認した結果、野生株と比較して高次なワックス構造を有していることが分かった。ワックス構成成分である長鎖・極長鎖脂肪酸を定量した結果、野生株と比較して、ａｏｄ２変異株では減少し、逆にＫＬＵ過剰発現株では増加していることが明らかになった。また、タンパク質の三次元構造予測モデルより、ＫＬＵは長鎖脂肪酸を基質とし得ることが示唆された。これらの結果から、植物の乾燥・塩・高温耐性にワックスが必須であること、さらにＫＬＵ遺伝子の発現調節によりワックスを増加させて植物の乾燥・塩・高温耐性を増強できることが明らかとなった。
〈幅広い環境変動に適応する作物育種への応用が期待される〉
これまでにワックスが乾燥からの水分損失を防ぐことは知られていたものの、今回の研究により、塩・高温耐性にも寄与することが明らかとなった。さらに、ＫＬＵ過剰発現株については、他のグループから様々な病原菌に抵抗を示すことが報告されている。ＫＬＵ過剰発現株は、発現量によっては生育遅延を示すため、発現量の厳密なコントロールが求められるが、ＫＬＵ遺伝子の発現調節によって、幅広い環境変動に適応する作物育種への応用が期待される。
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