図. 根の伸長が阻害されたbz1728株とそれを回復したnobiro6株

地中に根を張る陸上植物は最適な環境に自ら移動できないため、高温や乾燥、病害などさまざまな環境ストレスに対処する複雑な応答機構を発達させてきました。このストレス応答機構では、環境ストレスへの耐性が高まる反面、植物体の成長が抑えられることが分かっています。しかし、環境ストレスに対する特定の組織における成長抑制の分子メカニズムは明らかになっていませんでした。

共同研究グループは、細胞内ストレス応答機構の一つである「小胞体ストレス応答（Unfolded Protein Response：UPR）」の活性化による、植物の根の伸長成長の抑制現象を分子遺伝学的に解明する研究を進めてきました。UPRの活性化は、生物内外の環境悪化によって細胞内に蓄積した不完全タンパク質を感知することで起こります。UPRには、真核生物共通の細胞内恒常性を維持する役割とともに、外部ストレスを細胞内シグナルに変換して遺伝子発現制御に伝える細胞内ストレスセンサーとしての役割があると考えられています。

分子遺伝学のモデル種であるシロイヌナズナ（Arabidopsis thaliana）では、三つの転写因子（bZIP17、bZIP28、bZIP60）がUPRの制御に関わっています。2018年にキム・ジュンシク研究員らは、そのうちのbZIP17とbZIP28を同時に機能欠損させた変異株（bz1728）では、根の伸長が野生株に比べて10％程度に阻害されることを見いだしました注）。しかし、その表現型は根の伸長阻害を特徴とする他の変異株と関連性が乏しく、また植物ホルモンなど根の伸長成長に重要な代謝経路においても特異性のある変化は見られませんでした。これらのことから、bz1728株が示す根の伸長阻害は新しい遺伝因子に起因すると考えられ、本研究を行いました。

注）　2018年2月6日プレスリリース「植物の根の伸長を支えるストレス応答機構」
https://www.riken.jp/press/2018/20180206_2/index.html

共同研究グループは、bz1728株における根の伸長阻害に関与する新たな遺伝因子を探索するため、ゲノム上にランダムな突然変異を誘導した突然変異集団を作出しました。親株であるbz1728から根の伸長成長を回復した一連の変異株を選抜し、「nobiro（ノビロー）」と名付けました（図1）。

本研究では、nobiroの一つであるnobiro6株を対象に原因遺伝子を特定し、根の伸長回復の分子メカニズムを解明するための分子遺伝学解析を行いました。

まず、nobiro6株とbz1728株間の戻し交配から得られた後代（子孫）を、さらに自殖して得られたBC₁F₂分離集団を対象にゲノム再解読を行いました。根の伸長度合いが異なる複数の個体から解読した遺伝子変異データを比較解析したところ、根の伸長回復と相関して検出される突然変異の一つが、基本転写因子複合体の構成因子の一つである「TAF12b」の正常な発現を阻害することを発見しました。さらにゲノム編集法を利用してbzip17、bzip28、taf12b遺伝子の多重の機能欠損変異株を作出したところ、nobiro6株と同程度の根の伸長回復を示したことから、このtaf12b遺伝子上の変異がnobiro6株の伸長回復の原因であることが証明されました。

TAF12bが遺伝子の発現量を調節する転写因子の一種であることから、bz1728株からnobiro6株への遺伝子発現量の変化が根の伸長回復をもたらしたと予想できます。そこで、野生株とbz1728株、nobiro6株を比較するための網羅的遺伝子発現解析を行ったところ、bz1728株では、野生株に比べて数百個の遺伝子の発現が上昇・低下の両方向に数百倍にいたる大きな変動を示しました（図2左）。一方、nobiro6株では上昇方向の発現変動が野生株と同程度まで回復しているのに対して、低下方向の発現変動はbz1728株の水準のまま保持されていることが分かりました（図2右）。このことから、bz1728株が示す上昇方向の遺伝子発現変動に、根の伸長成長を抑制する機構が含まれている可能性が示されました。

シロイヌナズナのUPR上で機能する転写因子には、bZIP17とbZIP28のほかにbZIP60があります。bz1728株ではbZIP60遺伝子とその下流遺伝子の発現が過剰に活性化することから、bz1728株が示す上昇方向の遺伝子発現変動はbZIP60とTAF12bの共活性によると予想しました。そこで、細胞実験系を通して、bZIP60とTAF12bが物理的に相互作用すること、bZIP60の転写活性化能がTAF12bの添加によりさらに強化されることを証明しました。

さらに、TAF12bの単一機能欠損株（taf12b株）の生理学および分子遺伝学的特性を調べました。すると、taf12b株では、人為的に誘導された小胞体ストレスによる根の伸長抑制応答が鈍くなっており、UPRの活性も低下していることが分かりました。

以上のことから、nobiro6株の原因変異が見つかったTAF12bが、植物の小胞体ストレス応答における転写補助因子としてストレス信号に応じたUPRの活性を助長し、ストレス応答性の根の伸長抑制に機能することが明らかになりました。

図1. 根の伸長が阻害されたbz1728株とそれを回復したnobiro6株、野生株の表現型
転写因子bZIP17とbZIP28を同時に機能欠損させた変異株bz1728（中央）では著しく根の伸長が阻害されるが、bz1728株の変異株の一つnobiro6（右）は、根の伸長成長が回復している。

図2. bz1728株およびnobiro6株における網羅的遺伝子発現変動
各点は、野生株に比べて一つの遺伝子の発現量がどれくらいの有意度（縦軸）を持って、どの程度（横軸）変動したかを表す。赤は野生株に比べて発現量が有意に上昇した遺伝子を、青は有意に低下した遺伝子を表す。矢印はbZIP60遺伝子とその代表的なターゲット遺伝子（ERG1、SEC31A）の発現量を示す。

今後、他のnobiro株に対する分子遺伝学研究を進めることで、UPRによる根の伸長制御機構に対する理解がさらに深まると考えられます。これらの研究成果は、環境と植物の相互作用に対する学問的価値にとどまらず、ダイコンやサツマイモなど、根を利用する作物の改良を通して、植物工場や都市型農業に向けた作物の生産性向上に貢献できる可能性があります。

従って今回の研究は、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」や「13．気候変動に具体的な対策を」などへの貢献が期待できます。

論文情報
＜タイトル＞
Arabidopsis TBP-ASSOCIATED FACTOR 12 ortholog NOBIRO6 controls root elongation with unfolded protein response cofactor activity.

＜著者名＞
June-Sik Kim, Yuki Sakamoto, Fuminori Takahashi, Michitaro Shibata, Kaoru Urano, Sachihiro Matsunaga, Kazuko Yamaguchi-Shinozaki and Kazuo Shinozaki

＜雑誌＞
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America

＜DOI＞
10.1073/pnas.2120219119

本研究は日本学術振興会（JSPS）科学研究費助成事業基盤研究（C）「ストレス応答欠如による根の伸長阻害を回復した突然変異植物の遺伝子機能解析（研究代表者：キム・ジュンシク）」、理化学研究所基礎科学特別研究員事業研究課題「植物の小胞体ストレス応答性転写因子による植物発生における機能解析（研究者：キム・ジュンシク）」による支援を受けて行われました。