2021/08/06

植物の葉器官のサイズ制御の長年の謎を証明

-動植物の体のサイズを決める仕組みの理解、ひいては作物収量向上への貢献も-

 

東京学芸大学

理化学研究所

東京大学大学院理学系研究科

 

概要

私たちの体を構成する器官の大きさは厳密に制御されています。植物の葉も例外ではなく、ある一定の大きさになるようにプログラムされています。葉における細胞増殖と細胞成長、ひいてはその結果として生まれる葉サイズは、何らかの未知のシステムによって器官全体で統制されていますが、その仕組みは未だに解明されていません。

今回、東京学芸大学のFerjani Ali准教授、理化学研究所環境資源科学研究センターの瀬尾光範ユニットリーダー、平井優美チームリーダー、東京大学の塚谷裕一教授ら共同研究グループは、何らかの異常により細胞数が減少した際に、細胞サイズが顕著に肥大することで、葉面積が維持されるかのように見える「補償作用」現象に焦点を当てました。これは2002年以来、長いことその仕組みが謎とされてきた難問です。研究グループが独自に単離したモデル植物シロイヌナズナのfugu5変異体は、子葉を構成する細胞の数が野生型に比べておおよそ半減していますが、その結果として、個々の葉肉細胞のサイズが大きくなる「補償的細胞肥大」を起こします。

本研究グループはこのfugu5変異体を用いて、補償的細胞肥大がどのように起こるのかを、分子遺伝学的解析を駆使した戦略によって明らかにしました。その結果、fugu5で見られる補償的細胞肥大には、IBAから合成される植物ホルモンであるオーキシンが重要であり、そこでつくられたオーキシンの細胞内シグナル伝達によって細胞サイズの著しい増大が引き起こされていることを、新たに見出しました(図)。今回の発見は、1880年にダーウィンが発見した植物成長ホルモンであるオーキシンについて、その内生量の変動が葉面積の精妙な調節にも関与することを新たに示すとともに、オーキシンの濃度調節機構が植物の器官発生に重要であることを証明する画期的なものです。

図: 補償作用の分子メカニズム。補償的細胞肥大はオーキシンと複数の細胞小器官が協同的な働きによって制御されている。

 

葉のサイズはなぜこれほどまでに精妙な仕組みで調整されているのでしょうか。そのヒントは葉の役割にあります。葉は、光合成をする部位として、できるだけ広い面積を持つことが求められる器官です。そのため、細胞分裂が何らかの異常で低下した際には、補償作用のような仕組みによって、細胞サイズの調整を介してなるべく葉の面積を保つことが必要なのでしょう。今回の発見は、植物の器官サイズの理解のみならず、植物の生産性を理解する上でも大変重要な一歩と言えます。またひいては、動植物を超えた生物の体や器官のサイズの調節機構の理解にとっても重要な貢献となります。

近年、世界の人口増加に伴う飢餓が問題視されています。本研究グループは以上のように、器官サイズ制御の仕組みの一端を明らかにすることに成功しました。今、世界に流通する野菜の多くは葉を主な可食部としています。穀類や果物などの収穫量も、もとをたどれば葉における生産性、葉のサイズの制御に強く依存しています。したがって今回の知見は将来的に、葉の成長促進効果によるバイオマスの増大や作物収量の上昇などに貢献できる可能性があります。したがって今回の研究は、国際連合が2016年に定めた17項目の「持続可能な開発目標(SDGs) 」のうち「2. 飢餓をゼロに」への貢献が期待されます。

研究論文は国際学術誌であるPLOS geneticsに2021年8月6日付けで、朝3:00に公開されました。

詳細については、東京学芸大学 のホームページをご覧ください。

 

―東京大学大学院理学系研究科・理学部 広報室―