大阪府立大学（学長：辰巳砂 昌弘）大学院 生命環境科学研究科 岡澤 敦司 准教授、太田 大策 教授、馬場 敦也さん（2018年度 博士前期課程修了）、岡野 ひかるさん（2020年度 博士前期課程修了）、大阪大学 大学院工学研究科 新間 秀一 准教授、および神戸大学大学院 農学研究科 杉本 幸裕 教授らの研究グループは、次世代シーケンサーを用いた網羅的な遺伝子発現解析によって、アフリカの農業に大きな被害をもたらしているヤセウツボなどのハマウツボ科の根寄生雑草の発芽に重要なグルコースを生成させる貯蔵糖質プランテオースを加水分解する代謝酵素OmAGAL2の特定に世界で初めて成功しました。

また、質量分析イメージングによって種子中のプランテオースの貯蔵部位の可視化にも成功しました。

この研究成果は、根寄生雑草の発芽に重要な役割を果たすプランテオースの代謝酵素を阻害する化合物の探索を可能にし、アフリカの農業被害の低減や、飢餓の克服への貢献が期待されます。なお、本研究成果は2021年12月1日に、英国の学術誌「Journal of Experimental Botany」のオンライン速報版で公開されました。

ハマウツボ科（Orobanchaceae）の根寄生雑草は、世界の農業に大きな被害を与えています。なかでも、アフリカではイネ科の主要な穀類に寄生するストライガ（Striga hermonthica）による被害の影響が約3億人もの生活に及んでいると言われています（図1）。根寄生雑草による被害を低減するために世界では様々な研究が進められていますが、未だ決定的な解決法は確立されていません。私たちの研究グループでは、JST・JICA SATREPSプロジェクトなどの支援を受け、スーダンの研究機関と共同で根寄生雑草による農業被害の低減に向けた様々な研究をおこなっています。

本研究では、“根寄生雑草の発芽”が防除のポイントとなると考え、防除に適した標的酵素蛋白質を見出すことを目的としました。実験材料としては、国内で自生しており入手が容易な根寄生雑草ヤセウツボ（Orobanche minor）（図2）を用いました。これまでの研究結果から、プランテオースが、ヤセウツボの発芽初期に必要なグルコースを供給する貯蔵糖質であることが明らかになっています。そこで、次世代シーケンサーによるRNA-Seqにより、発芽中に発現している遺伝子の網羅的解析を行うことで、ヤセウツボ発芽種子中のプランテオースの代謝を詳細に解析し、その代謝酵素を遺伝子レベルで明らかにすることを目指しました。

まず、プランテオースが種子のどこに蓄積されているかを調べました。その結果、胚では検出されず、胚に栄養を供給する胚乳に蓄積されていることが明らかになりました（図3）。この蓄積部位は、プランテオースが貯蔵糖質であることを裏付けるものでした。次に、プランテオースの加水分解酵素遺伝子の探索を行いました。プランテオースは、これまでにα-ガラクトシル結合によって加水分解されることが明らかになっていたため、トランスクリプトームデータから発芽時に発現量が増加するα-ガラクトシダーゼ遺伝子OmAGAL2を見出しました。OmAGAL2を大腸菌で発現させたところ、酵素蛋白質OmAGAL2がpH 5.0 でプランテオースの加水分解活性を有することが明らかになりました。

さらに、OmAGAL2を蛍光蛋白質mCherryとの融合蛋白質として、ベンサミアナタバコの葉やシロイヌナズナで発現させたところ、OmAGAL2は細胞から分泌され細胞外（アポプラスト）に存在することが明らかになりました（図4）。これらの結果から、プランテオースはヤセウツボの種子の胚乳に蓄積されており、発芽時に胚の近くのアポプラストでOmAGAL2に加水分解されることで、発芽に必要なグルコースを生成しているという代謝モデルが提唱されました。

図3. 質量分析イメージングによるプランテオースの可視化

図4. OmAGAL2の細胞内局在解析

本研究によって世界で初めて根寄生雑草の貯蔵糖質プランテオースの代謝を明らかにしました。プランテオースはヤセウツボだけではなく、ストライガなど他のハマウツボ科根寄生雑草の発芽中でも代謝されることも明らかにしています。このことから、この代謝の阻害剤は全てのハマウツボ科根寄生雑草の発芽を抑制することにつながると期待されます。

私たちの研究グループでは、現在、OmAGAL2酵素蛋白質に対する阻害剤のケミカルスクリーニングを行なっており、いくつかの化合物が実際にヤセウツボの発芽を抑制するという予備実験の結果を得ています。今後、さらに研究を進め、根寄生雑草選択的な発芽抑制剤の開発を行うことで、最終的には、アフリカの根寄生雑草による農業被害を低減し、飢餓の克服に貢献することが期待されます。

本研究成果は2021年12月1日に、英国の学術誌「Journal of Experimental Botany」のオンライン速報版で公開されました。

雑誌名: Journal of Experimental Botany
論文タイトル: Involvement of α-galactosidase OmAGAL2 in planteose hydrolysis during seed germination of Orobanche minor 著者: Atsushi Okazawa, Atsuya Baba, Hikaru Okano, Tomoya Tokunaga, Tsubasa Nakaue, Takumi Ogawa, Shuichi Shimma, Yukihiro Sugimoto, and Daisaku Ohta
DOI番号: https://doi.org/10.1093/jxb/erab527

本研究の一部は、科学技術振興機構（JST）・国際協力機構（JICA）地球規模課題対応国際科学協力プログラム（SATREPS）（JPMJSA1607）、科学研究費助成事業（科研費）基盤B（JP20H02924）、科学研究費助成事業（科研費）国際共同研究強化B（JP20KK0130）からの支援を受けて行われました。

大阪府立大学大学院 生命環境科学研究科 応用生命科学専攻 細胞代謝機能学研究室 Webサイト
http://cell-metabolism.sakura.ne.jp/

SATREPS（地球規模課題対応国際科学技術協力プログラム）Webサイト
https://www.jst.go.jp/global/