プロジェクト -Project-

研究概要

 たち人類は、植物を食料として用いるだけでなく、植物が産生する化合物を医薬品や化粧品、香料などに活用することで生活に役立てています。これらの多くは植物の二次代謝物 (特化代謝物とも呼ばれる) と定義される化合物群で、生理活性を持つものが多く、自然界には20万~100万の多種多様な構造が存在することが知られています。植物自身にとっての植物二次代謝物の機能としては、病害菌感染や病害虫に対する防御や、花粉を媒介する昆虫の誘因、強光や乾燥などからのストレスの緩和などの機能がある考えられています。これは、化合物がストレスの防御や緩和に対する活性を持っている事実に加え、二次代謝物を産生する植物体内の生合成経路がストレスにより高誘導されるという研究結果などによるものです。そのため二次代謝物は、植物が自然環境に適応し生き残るための戦略のひとつとなってきたと議論されている重要な化合物群でもあります。しかし、自然界に広く分布する植物種が非常に多様であることに加え、それぞれの二次代謝物の分子構造や生合成経路が複雑であるため、有用植物二次代謝物を植物により多くかつ効率的に産生させるための生合成経路の解明は難しい点が多いといえます。

 

 私たちの研究室ではモデル植物や作物、薬用植物などを対象に、”植物が有用な機能を持つ化合物をどのような生合成経路でつくるか?"、"鍵となる遺伝子は何か?”、また"それらはどのようにして進化してきたか?”という点に着目した研究を行っています。研究は基本的にいずれかのオミクスデ-タ(質量分析を用いたメタボロミクス、次世代シ-クエンス技術を用いたトランクリプトミクス、情報生命科学技術を用いたゲノミクス)を統合する”オミクス統合解析”により行います。メタボロミクスを起点とする研究では、『どのような代謝物を産生するのか』という点を最初に明らかにしてから生合成経路を推測し、遺伝子の発現パタ-ンやDNA配列の相違と関連付けて解析をすすめるというボトムアップ式手法により研究をすすめます。具体的には、植物のさまざまな器官や自然突然変異体コレクションにおける『代謝物をつくる能力の違い』についての比較解析を行うことにより、DNAに刻まれた歴史と生合成経路との関連性を探っています。例えば、同じ植物種であっても日差しの強さや温度の違う地域で育ってきたかどうかで産生する代謝物が異なっていたりするので、研究を通じて代謝物の機能が環境ストレスへの耐性と関連性があるかなどの解析も行っています。

 

 私たちの研究目的のひとつとして、新規有用代謝物の発見、およびその代謝物の産生の鍵となる遺伝子(キ-遺伝子)の機能同定を行なっています。私たちは、花粉による交配が可能な種間比較比較解析を特に注目して行なっており、形質転換やgene editingのみならず、通常花粉交配により有用代謝物産生形質を短期間で作成できる分子育種を目指した研究を行っています。特に注目している代謝経路は以下の6経路です。

 

- 植物の紫外性防御や酸化ストレス防御機構に関わるポリフェノ-ル生合成経路

- 発がん抑制機能があると考えられているグルコシノレ-ト生合成経路

- 様々な薬理作用のあるアルカロイド生合成経路

- 忌虫効果があると考えられているポリアミン類経路

- 動物の栄養源として重要な含硫アミノ酸経路

- 傷害ストレス応答に関わるジャスモン酸誘導性二次代謝経路

 

 また私たちの研究室では、二次代謝物産生に密接に関わる一次代謝経路についても研究を行っています。例えば、代表的な植物二次代謝物であるフラボノイドは、芳香族アミノ酸であるフェニルアラニン(シキミ酸生合成経路からつくられる)を原料にして生合成されますが、植物体においてフラボノイド高産生植物をデザインする上でフェニルアラニン産生効率や炭素/窒素に関連する生合成経路の理解は不可欠です。同様に、発がん抑制成分として注目されているアブラナ科植物が産生するグルコシノレ-ト類は、硫黄や窒素の不足した土壌では、産生能が低くなることが一般的に知られています。私たちの研究室では、様々な栄養欠乏条件下におけるそれぞれの代謝物の産生能と代謝のながれを詳細に解析することで、植物が栄養欠乏を感じているかの診断に関するマ-カ-の解明を行っています 

植物代謝における多様性の理解と機能ゲノミクス

現在までに100種類以上の植物種についてゲノム配列の解読が完了しています。しかし、産生される二次代謝物の化学構造とその制御機構は非常に複雑で、遺伝子やタンパク質の配列情報から予測するのは困難です。また、ストレス時にのみ産生される代謝物や特定の器官にのみ産生されるもの、また同じ植物種内での自然変異遺伝子多型の違いにより産生される代謝物を含めた生合成経路の全体像については、ほとんど明らかとなっていません。そこで、ゲノム配列の解読が完了もしくは遂行されているモデル植物・作物や薬用植物を対象に、様々な器官や近縁種および自然変異体コレクションについて、質量分析計などを用いて代謝物を詳細に解析し、得られた情報をもとに生合成経路の全体像を解明しています。さらに、トランスクリプト-ム解析、ネットワ-ク解析、量的形質座位(QTL)解析やゲノムワイド関連解析(GWAS)などを用いてオミクス統合解析を行い、新規遺伝子機能の解明を目的とした機能ゲノミクスを行っています(図1)。また、一次代謝物についても解析を行い、複雑な代謝経路ネットワ-クをシステムとして総合的に理解する研究にも取り組んでいます。

 

図1. モデル植物や作物などを用いたオミクス統合解析

種間比較と新機能分化ゲノム領域の解析

植物二次代謝物の構造多様性を生み出す要因となっている遺伝子の多くは、新機能分化(neofunctionalization)領域と呼ばれる比較的最近の進化過程で発生したゲノム領域由来であると考えられています。実験的に確認された植物の新機能分化領域についての研究例は少なく、情報科学分野におけるゲノム配列解析とメタボロミクス解析の統合解析が望まれています。私たちの研究グル-プでは、この様なゲノム領域に着目し、シンテニ-を利用した種間比較解析を行うことで、より効率的に有用機能遺伝子を発見できると考えています。また、生合成経路の発生と種分化との関連性、および植物種の進化過程の軌跡の解明に着目した研究にも取り組んでいます。

栄養欠乏生育下における代謝変動の解析

一次代謝経路は、二次代謝物の産生能を理解する上で非常に重要です。例えば、がん抑制成分として注目されているグルコシノレ-ト類は、硫黄や窒素の不足した土壌では、産生能が低くなることが知られています。また、大気や土壌等から取り込まれる栄養素は植物の成長においてとても重要で、栄養欠乏条件下では植物に色素の蓄積や生育の遅延など、様々な生育障害が生じます。そのため現在までに、シロイヌナズナを用いた各栄養欠乏条件下での代謝変動や遺伝子発現などのオミクス解析は多数報告されています。しかし、有用なアブラナ科作物種を用いた解析はあまり行われていません。そこで私たちの研究室では、アブラナ科作物種を用いて、栄養欠乏下の植物の代謝変動を解析します。一次代謝物や二次代謝物を包括的に分析することにより、代謝物の経時的変化を理解し、様々な栄養欠乏条件下におけるそれぞれの代謝物の産生能と代謝のながれを詳細に解析しています。

ストレス防御応答に関わる二次代謝物に関する研究

植物は病原菌などの外敵から身を守るために、様々な二次代謝物を生産することが知られています。植物がストレス条件下において生産する抗菌性物質群は、ファイトアレキシン (phytoalexin) と総称されます。アブラナ科植物においてはトリプトファン由来のインド-ル型化合物、ブドウにおけるレスベラトロールやパパイヤにおけるdanieloneなどのポリフェノ-ル型化合物、ピキアラナにおけるクマリン型化合物、イネ科植物におけるDIMBOAなどのベンゾキサジノイド化合物、イネにおいてはモミラクトンやファイトカサンなどのジテルペン型化合物や、サクラネチンやフェニルアミド類などのポリフェノ-ル型化合物が、ファイトアレキシンとして報告されています。現在までの研究により、いくつかのファイトアレキシン生合成に関わる代表的な酵素遺伝子や、イネにおいてはジテルペン型ファイトアレキシンの生産を制御する転写因子などが同定されました。また、ファイトアレキシン生産の多くが、ストレス応答ホルモンであるジャスモン酸による制御を受けることも明らかとなってきました。私たちの研究グル-プでは、植物が生産する様々なファイトアレキシンについて、植物体内におけるそれぞれの機能についての解析や、産生機構がどのように誘導され制御されているかについての研究に取り組んでいます。

ジャスモン酸に関する研究(清水ユニット)

ジャスモン酸は植物の成長抑制や老化、花芽の成熟や稔性などの生長調節とともに、傷害や病害等のストレス応答にも関わる植物ホルモンです。ジャスモン酸は先に紹介したイネのファイトアレキシンだけでなく、様々な植物種でアルカロイドやテルペノイド、フェニルプロパノイドなど多様な二次代謝物の生産制御に関わっていることも知られており、ジャスモン酸は植物の二次代謝物生産制御においてとても重要な役割を担っている植物ホルモンであると言えます。

 ジャスモン酸は、アミノ酸の一種であるイソロイシンと結合し、ジャスモノイルイソロイシン(JA-Ile)となることで、受容体タンパク質であるCOI1と結合し、ジャスモン酸応答性遺伝子の発現を制御していることが知られています。一方でJA-Ile以外のジャスモン酸類縁体も数多く見つかっており、その中にはJA-Ileとは異なる生理機能を有するものもあります。我々はこのようなジャスモン酸類が植物のどこでどのように作られ機能しているのかを解明することを目的とした研究にも取り組んでいます。