理研ら,植物の紫外線耐性に新たな知見

理化学研究所(理研),東北大学,生命創成探究センターは,細胞内自己分解システムである「オートファジー」が植物ミトコンドリアの品質管理を担うことを発見した(ニュースリリース)。

太陽光エネルギーを利用した光合成で生きる植物は,紫外線障害に常に対応する必要がある。このような障害は地球外環境ではさらに強くなることから,植物の紫外線耐性機構の理解は将来的な地球外での植物栽培を目指す上でも重要とされている。

研究グループは,2017年にモデル植物シロイヌナズナにおいて細胞内自己分解システムである「オートファジー」が紫外線耐性に関わることを明らかにした。しかし,オートファジーがどのように植物の紫外線耐性を支えているか,その全容は未解明だった。

共同研究グループは,まずオートファジー機能が欠損したシロイヌナズナを用いて紫外線耐性を評価し,変異株が紫外線Bランプ1時間照射の障害条件で葉が枯れやすくなることを確認した。

そこで,各種細胞内小器官(オルガネラ)を蛍光タンパク質で可視化した植物(野生型背景)と,オートファジー機能欠損株を同じ紫外線障害にさらし,各オルガネラの様子を観察した。その結果,野生型の葉では障害1日後にミトコンドリアの数が減少するのに対し,変異株の葉ではミトコンドリアの数が著しく増加することを見いだした。

さらに,開発を進めている「マルチビーム走査型2光子顕微鏡」などを用いて,ミトコンドリアの形態評価を行ない,紫外線障害を受けたオートファジー機能欠損株では,細かく断片化した機能不全ミトコンドリアが残存・蓄積していることを明らかにした。一方,野生型の葉では,オートファジーによるミトコンドリア分解(マイトファジー)により,紫外線で機能不全となったミトコンドリアが除去されていることを明らかにした。

次に,正常なミトコンドリア機能に必要な遺伝子とオートファジー機能の二重欠損株を作出し,ミトコンドリア機能への影響を評価した。その結果,この遺伝子の欠損により増えた機能不全ミトコンドリアが,オートファジーの欠損によりさらに増加することを確認した。

つまり,マイトファジーがこの遺伝子欠損により生じたミトコンドリアストレスを軽減しているものと考えられる。この結果は,マイトファジーが葉のミトコンドリア品質管理に寄与していることをさらに支持するものであり,マイトファジーが植物ミトコンドリアの品質管理を担うことが明らかになった。

研究グループは,この成果が強い太陽光障害に負けずに育つ植物の設計の新たな方策につながるとしている。

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