東北大,壊れた葉緑体の処理過程を発見

東北大学は,研究用モデル植物であるシロイヌナズナに紫外線や強い白色光,自然太陽光を照射し,光合成を担う葉緑体にダメージを与えると,葉緑体が丸ごとオートファジーで運ばれ分解される「クロロファジー」が起こることを発見した(ニュースリリース)。

植物の葉緑体は,地上に強く降り注ぐ太陽光(例えば晴天の日の昼の太陽光)を十分利用できるようには作られていない。そのように葉緑体を作ってしまうと,朝や夕方,あるいは曇りの日にはオーバースペックとなり,葉緑体を作るコストと獲得できる光合成エネルギーのバランスが悪化してしまうため,と考えられている。

よって葉緑体は常に太陽光によるダメージを受けており,そのダメージの軽減や除去,修復は,光をエネルギー源として生きる植物にとって極めて重要な生存戦略の一つとなる。傷が放置されれば,光合成の活性が低下するだけでなく,活性酸素の増大を招き葉や植物体そのものの死にもつながる可能性がある。

これまで,植物は多段階からなる光防御反応で葉緑体を守っていることが解明されてきたが,深刻なダメージを受け壊れてしまった葉緑体がどのように処理されるかについては明確な答えが得られていなかった。

オートファジーは,植物に限らず,ヒトを含む動物や酵母といった「真核生物」に分類される生物が広く持っている機構で,細胞の一部を小胞で隔離し,その内容物を細胞内のごみ処理場に運び,分解するための機構。

研究グループはこれまでにも,植物の葉緑体の分解にオートファジーが関わることを,世界に先駆けて明らかにしてきた。今回の成果では,シロイヌナズナに紫外線や強い白色光,あるいは自然太陽光によるダメージを与えると,葉緑体がオートファジーによって丸ごと液胞(植物細胞内で不要物の分解を担う部位)に運ばれ,分解されることを発見した。

この現象はchlorophagy(クロロファジー)と名付けられている。オートファジーが行なえない植物体では,異常な形態を示す葉緑体が除去されず細胞に溜まると共に,葉が枯れやすくなったことから,障害誘導型クロロファジーは太陽光で壊れた葉緑体を取り除く役割を担っていること,この機構は葉の生命機能を維持する上で重要であることが示された。

夏は青々としたイネが秋にかけて黄金色に変わる際には,緑色の素でもある葉緑体が分解されて,それによって生じるアミノ酸等が再利用されている。特に植物が最も多量に必要とする窒素(N)源としてのリサイクルは重要で,お米となる穂を作るために使われる窒素のうち,実に約8割が分解から生じたリサイクル窒素でまかなわれることが分かっている。

今回の成果によって,クロロファジーの詳細な制御機構を解明しようとする基礎研究や,作物の窒素利用におけるクロロファジーの機能を評価しようとする発展的研究を実践することが可能になり,効率的に栄養をリサイクルできるイネを作る,といった作物の栄養利用や品質向上を目指す新たな応用研究につながっていくことが期待できるとしている。

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