Research & Development

Control and Design of photoperiodic flowering

私たちはより現実的に光周性花成を制御・設計するために、野外における花成制御メカニズムの理解や植物の季節認識機構について研究しています。

研究の背景

季節に応じた花芽形成(光周性花成)の理解はモデル植物を用いた実験室での研究から大きく進展しました。実験室では蛍光灯やLEDといった安定した光源に加え、温度も一定に保たれています。蛍光灯には遠赤色光(Fr)がほとんど含まれていないことはすでに知られていましたが、花成にたいするその影響はほとんど考慮されてきませんでした。しかし、野外でシロイヌナズナを生育させ、フロリゲンをコードするFT遺伝子発現を計測すると、通常の夕方に発現ピークを持つパターンではなく、朝・夕に発現ピークを持つことが明らかになりました。この現象はこれまでの外的符合モデルでは説明できないため、新たに研究を行う必要があります。

そこでFrを補光すると共に温度を野外に併せて徐々に変化させることで、実験室においても野外と同様に2回の発現ピークを持つFTの発現パターンを再現できること利用し、朝にFT発現が誘導される理由とその生物学的意義を明らかにしようとしています。

光周性花成を制御する方法として、FTなどの花成関連因子の発現を直接制御するアプローチがこれまで採用されてきました。しかしこの方法では、「花咲かじいさん」のように好きなタイミングで花を咲かせることは困難です。もちろん、複雑なトリックを仕込んだ形質転換植物であれば可能ですが、農業応用までを視野にいれると現時点では現実的ではありません。そこで私たちは非遺伝子組換えで、好きなタイミングで花を咲かせることを達成するために、化合物による植物の季節認識を変化させる方法に取り組んでいます。

野外でFTが朝に発現する仕組みとその意義
研究内容:
これまでの実験室環境で明らかになっていた夕方におけるFT発現で光周性花成のかなりの部分の説明はできていました。しかし、朝のFT発現は非常に強いことを考えると私たちは何かを見落としていたようです。どういった仕組みで朝にFTが発現しているのか、その意義は何かについて生化学的・分子遺伝学的アプローチによって迫ります。

究極の目標:
1960年代に提唱された外的符合モデルでは夕方を遅らせることで日長の差を説明しています。しかし、日が長くなる際には、日没が遅れるだけでなく日の出も早くなります。このことを加味することで朝のFT発現を説明でき、新しい外的符合モデルを提唱できると考えています。
植物の季節認識のデフォルトは?
内容:
環境刺激には音や光のようにその刺激が無い状態が想定できるものと、季節・時間・温度のようにその刺激が無い状態が想定できないものがあります。前者については、変異体のスクリーニング等から理解が進んでいますが、後者については変異体の表現型が予想できないため、理解がほとんど進んでいません。私たちは同じ時計遺伝子を操作しても常に夏(長日)だと感じている植物と常に冬(短日)だと感じている植物がいることを見出しました。この仕組みをりかいすることで、植物が季節をどのように理解しているのかに迫ります。

究極の目標:
植物の季節認識は花成時期に直接的に影響します。季節を感じられなくなった植物が長日・短日のどちらのように(あるいはその中間として)振る舞うのかを理解できれば植物の花成を任意に制御するための技術につながると期待しています。
非遺伝子組換えでの花成制御
内容:
私たちは投与するだけで花成時期を調節できるようにな化合物の探索を行っています。ほとんどの農産物は花・実・葉ですから花成時期を調節し花を早く咲かせたり、咲かせなかったりすることができれば大きなメリットとなります。発光レポーターを用いてリアルタイムで概日リズムをモニターしつつ、これを制御する化合物のスクリーニングを行っています。

究極の目標:
花成時期の調節は農業に直結するため多くの方法が存在します。しかし、品種改良は時間や人手がかかりますし、ゲノム編集や遺伝子組換えは消費者に受け入れられず産業として成立しません。さらに、これらの方法では花成時期は作付け時におおよそ決まってしまうために、天候や市況に応じて臨機応変な対応が難しいという問題があります。また夜間補光や植物工場は大掛かりであり、適用可能な植物も限られています。化合物(農薬または肥料)による花成制御であれば既存品種を活かしつつ非遺伝子組換えで花成を好きなタイミングで調節できると考えられるため、第四の制御方法になりうるのではないかと期待しています。