広報活動

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2016年12月14日

理化学研究所

植物の青色光特異的伸長化合物を同定

-クリプトクロムの青色光による光情報の阻害化合物の発見-

要旨

理化学研究所(理研)環境資源科学研究センター合成ゲノミクス研究グループの大窪(栗原)恵美子特別研究員、ウェンディ・オン国際プログラムアソシエイト、松井南グループディレクターらの共同研究チームは、青色光受容体のクリプトクロムが植物の細胞伸長を抑制する効果を阻害する低分子化合物を単離し、それが直接クリプトクロム1(CRY1)に結合することで阻害効果を示すことを明らかにしました。

光は、植物の光合成によるエネルギー源であるだけでなく、環境の情報を感知するための情報源としても重要な役割を担っています。クリプトクロムは、植物が持つ光受容体の中で青色光を受容して、脱黄化[1]、気孔の開閉、開花時期、避陰反応[2]を制御するタンパク質です。この受容体の作用を制御することができれば、これら種々の反応の制御が可能になります。

今回、研究チームは、青色光が芽生えの細胞伸長を抑制することに着目しました。モデル植物のシロイヌナズナの芽生えを用いて、この抑制効果が起こらなくなる低分子化合物を約4,000の中から探し出し「3B7N」と名付けました。この化合物は、青色光のみの影響を抑制し、赤、遠赤色光には影響を及ぼさないことが分かりました。

また、3B7Nを結合したビーズとタンパク質とのプルダウンアッセイ[3]を行った結果、3B7NがCRY1のみと結合し、以前報告したBIC2(CRY2の情報伝達を抑制する)のような青色光シグナルに関わるタンパク質注1)とは結合しないことが明らかになりました。つまり、3B7NはCRY1に特異的に結合することで、CRY1が制御する青色光特異的な芽生えの伸長成長阻害を回避していることが分かりました。

クリプトクロムは植物の生長、開花などの農業上の重要形質を制御しており、本成果は作物のバイオマス増収などにつながると期待できます。

本研究成果は、日本植物生理学会が発行する国際科学雑誌『Plant and Cell Physiology』(12月14日付け)に掲載されます。

本研究は、日本学術振興会の科学研究費助成事業 挑戦的萌芽研究「ケミカルフェノミクスによる植物のサイズを制御する低分子化合物の探索」の支援を受けて行われました。

注1)2016年10月20日のプレスリリース「植物の青色応答の初期過程を解明

※共同研究チーム

理化学研究所 環境資源科学研究センター
合成ゲノミクス研究グループ
グループディレクター 松井 南 (まつい みなみ)
特別研究員 大窪(栗原)恵美子(おおくぼ-くりはら えみこ)
国際プログラムアソシエイト ウェンディ・オン(Wen-Dee Ong)

ケミカルバイオロジー研究グループ
グループディレクター 長田 裕之 (おさだ ひろゆき)
研究員 渡邉 信元 (わたなべ のぶもと)
専任研究員 近藤 恭光 (こんどう よしみつ)

背景

クリプトクロムは動植物で保存されたタンパク質で、植物では青色光の受容体として機能していることが知られています。クリプトクロムは青色光によって活性化され、脱黄化、気孔の開閉、開花時期、避陰反応を制御します。これらの反応は、植物が十分な光エネルギーを得て光合成を行うことや、気孔開閉による二酸化炭素の取り込みなど植物のバイオマス増産にも関わる基本的かつ重要な反応です。しかし、クリプトクロムの分子メカニズムにおいては、いまだに多くのことが分かっていません。

クリプトクロムには芽生えの伸長を抑制する効果があり、「二量体」を形成することで機能することが分かってきています。モデル植物のシロイヌナズナは、アミノ酸配列のよく似た二つのクリプトクロム1(CRY1)とクリプトクロム2(CRY2)を持っています。これらは上記のような共通の機能と他にそれぞれ別の機能があり、主にCRY1は芽生えの伸長抑制に、CRY2は開花時期の制御に関わっています。これらの機能を制御できる化合物は、植物研究の基礎や、バイオマスの増収といった応用において重要です。

研究手法と成果

共同研究チームは、まず青色光が植物の芽生えの伸長を抑制することに着目しました。もし何かの化合物で青色光の効果が阻害されるならば、この伸長抑制が起こらなくなるはずです。そこでシロイヌナズナの芽生えを、種々の低分子化合物を含んだ培養シャーレで青色光を照射しながら生育させました。その結果、約4,000の化合物の中から、青色光を照射しても芽生えの伸長の抑制が起こらない83種類の候補化合物を単離しました。

さらにこの中から青色光にだけ反応して、植物が反応する他の光である赤色光、遠赤色光には反応しない化合物を絞り込みました。続いて、この化合物の側鎖の位置や構造を変化させることで、目的の化合物の構造を決定しました。そして、低濃度で青色光にのみ影響する化合物を同定し「3B7N(3-Bromo-7-Nitroindazole)」と名付けました(図2図3)。

また、3B7Nは、cry1cry2二重変異体(CRY1、CRY2タンパク質をそれぞれコードする遺伝子CRY1CRY2の両方を欠損させた)においては、芽生えの伸長に影響を与えることができないこと、シグナル下流の遺伝子HY5ではさらに細胞伸長を起こすことから、3B7Nの作用するタンパク質はクリプトクロムではないかと推測しました。実際にプルダウンアッセイにより、CRY1は3B7Nに結合するが、BIC2(CRY2情報伝達を抑制するタンパク質)は3B7Nと結合しないことが分かりました。つまり、3B7Nは、CRY1に特異的に結合することで、CRY1が制御する青色光特異的な芽生えの伸長生長阻害を回避していることが分かりました。

今後の期待

今後、組織別や植物の発達時期別に3B7Nを植物に塗布することで、クリプトクロムの機能をより詳しく解析することが可能になります。

またクリプトクロムは、植物の生長、気孔の開閉、避陰反応、開花時期などの生理反応を制御しています。そのため、3B7Nによってクリプトクロムの機能を制御することで、今後、これらの農業的に重要な性質を制御することが可能になり、収穫時期や穀物の増収に貢献すると期待できます。

原論文情報

  • Wen-Dee Ong, Emiko Okubo-Kurihara, Yukio Kurihara, Setsuko Shimada, Yuko Makita, Mika Kawashima, Kaori Honda, Yasumitsu Kondoh, Nobumoto Watanabe, Hiroyuki Osada, Sean R Cutler, Kumar Sudesh and Minami Matsui, "Chemical-Induced Inhibition of Blue Light-Mediated Seedling Development Caused by Disruption of Upstream Signal Transduction Involving Cryptochromes in Arabidopsis thaliana", Plant and Cell Physiology

発表者

理化学研究所
環境資源科学研究センター バイオマス工学研究部門 合成ゲノミクス研究グループ
特別研究員 大窪(栗原) 恵美子 (おおくぼ-くりはら えみこ)
国際プログラムアソシエイト ウェンディ・オン (Wen-Dee Ong)
グループディレクター 松井 南 (まつい みなみ)

Wen-Dee Ong国際プログラムアソシエイトと松井南グループリーダーの写真 大窪(栗原)恵美子 特別研究員の写真

(左から)Wen-Dee Ong、松井南、大窪(栗原)恵美子

報道担当

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補足説明

  1. 脱黄化
    植物を暗所で育てると子葉が黄化する。また、暗所では胚軸は徒長し、子葉は閉じてフックを形成するいわゆるもやし状の形態を示す。一方、黄化した芽生えを光条件に移すと、胚軸伸長は抑制され、子葉は開いて葉緑体の発達のため緑化する。これら一連の反応を脱黄化と呼ぶ。
  2. 避陰反応
    植物は光合成に不利な光環境を避けるため茎を伸ばしてより良い光環境に脱出しようとする。これを避陰反応と呼ぶ。
  3. プルダウンアッセイ法
    タグ付きタンパク質(ベイト)に任意のサンプル(ここではUVリンクさせた低分子化合物結合セファロースビーズ)をインキュベートした後に、溶出させ、ベイトと結合するか否かを解析する手法。

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青色光受容体クリプトクロムが制御する生理応答の図

図1 青色光受容体クリプトクロムが制御する生理応答

クリプトクロムは青色光に応答して脱黄化、避陰反応、花芽形成、気孔開口などを制御する。

3B7N(3-Bromo-7-Nitroindazole)の構造式

図2 3B7N(3-Bromo-7-Nitroindazole)の構造式

分子式C7H4BrN3O2。一酸化窒素合成酵素阻害剤として知られている。

青色光下で3B7Nを処理したときの シロイヌナズナ芽生えの写真

図3 青色光下で3B7Nを処理したときのシロイヌナズナ芽生え

シロイヌナズナを3B7Nで処理すると(右)、青色光下でも胚軸(子葉に続く軸の部分、茎)の伸長がコントロール(左)に比べて促進されたことが分かる。スケールバーは0.5cm。

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