新しい研究！中国の科学者が植物のライフサイクルを制御する「スイッチ」を発見

アブラナ科は最も繁栄している植物科の一つで、菜種、キャベツ、ブロッコリーなど日常生活で目にする多くの作物はこの科に属しています。

2024年5月28日、国際学術誌「Cell」は、中国科学院分子植物科学卓越センターの王佳偉氏らの研究チームによる「アブラナ科植物の一年生開花行動と多年生開花行動の相互転換」と題する研究論文をオンライン版で公開した。

研究者らは、アブラナ科植物の多年生性を決定する3つの重要な遺伝子を特定することに成功した。多年生植物のこれら3つの遺伝子をノックアウトするか、またはこれらの3つの多年生遺伝子を一年生植物に移すことによって、アブラナ科は多年生と一年生の生活習性の相互変換を達成することができます。

アブラナ科植物を一年生から多年生に転換するには、3 つの遺伝子を変更するだけで済みます。画像出典：参考文献[1]

多年生作物とは何ですか?

ライフサイクルを完了するのにかかる時間に基づいて、植物は一年生植物、二年生植物、多年生植物に簡単に分類できます。一年生植物は開花後、植物全体が枯れて死ぬまで種子を作るために多大なエネルギーを消費します。

ほとんどの多年生植物は開花後に適度にエネルギーを消費し、それによっていくらかのエネルギーと新芽を保持し、その後栄養成長状態（つまり、新しい葉を成長させ、旺盛に成長する）に入り、これを毎年繰り返して、開花と栄養成長のサイクルで長寿を達成します。

「毎年枯れてまた生える」小さな草から、枝葉が豊かに茂る大木まで、植物には多様な生活習慣があることはよく知られていますが、植物の寿命を決める「スイッチ」が何なのかは、あまり明らかではありません。

応用の観点から見ると、多年生作物は伝統的な一年生作物を効果的に補完するものです。 「一度の播種で複数回の収穫」という特徴があり、繰り返し耕作する必要がないため、人力と機械のコストを節約できるだけでなく、土壌構造も保護されます。

さらに、多年生作物のよく発達した根系は、高い水と肥料の利用率を確保し、土壌の流失を減らし、大気中の炭素を土壌層に固定することができます。これは中国にとって持続可能な農業の発展を促進し、将来の気候変動に対応するための重要な戦略的保護区です。

多年生遺伝子はどこで見つかったのでしょうか?

植物の多年生性を決定する遺伝子を見つけるにはどうすればよいでしょうか?論理的に単純な研究戦略があります。まず、交配できる一年草と多年草のペアを見つけます。遺伝学の常識に基づけば、その子孫は一年草と多年草の両方を持つと推測されます。子孫の遺伝子型と表現型の相関分析を行うことで、植物の多年生性を決定する遺伝子を見つけることができます。

上記の研究戦略は非常に単純に聞こえますが、世界中の他の研究室でこれを試した人はほとんどいません。その理由は、まず第一に技術的な限界です。過去10年間でゲノム配列解析技術と遺伝子編集技術が急速に発展し、以前は困難だった分子遺伝学研究にますます多くの植物が利用できるようになりました。

さらに重要な理由は、実際の操作が難しく、多大な労力を必要とすることです。一年生植物と多年生植物は異なる種として分類されることが多く、生殖的に隔離されています。種間の遠距離交雑によって正常な生殖能力のある子孫が生まれる可能性は極めて低く、成功する唯一の方法はより多くの試行を繰り返すことです。

この目的のために、王嘉偉教授のチームは早くも 10 年前に、アブラナ科植物、サッカリナ、カルダミン、ナンヨウアブラナを含む数百種類の植物材料の収集を開始しました。

研究チームはまず、収集した植物の生活習慣（一年生か多年生か）を調査し、次にゲノムサイズを評価し、形態学的特徴と分子マーカーを組み合わせて遺伝的関係を評価し、成功する可能性のある「一年生と多年生」の植物の組み合わせを予備的に選別しました。

その後、長い一連の試みが続き、最終的に子孫を生み出すことができる2組の雑種の組み合わせ、すなわちCrucihimalaya属のCrucihimalaya himalaicaとCrucihimalaya wallichiiが得られました。および Erysimum 属の Erysimum nevadense および Erysimum cheiranthoides。

多年生植物はライフサイクルが長く、今日植えた苗木の実験結果が来年まで得られないことがよくあります。この期間中、植物は干ばつや害虫などの要因によってストレスを受け、実験データに影響を及ぼす可能性があるため、継続的かつ注意深く世話をする必要があります。厳密な観点から言えば、研究者は実験データに影響を及ぼす可能性のある干ばつや害虫などの要因によって植物がストレスを受けることを望んでいません。これはまた、人間の休暇によって植物の成長が止まるわけではないので、研究者は長期休暇を取る機会を放棄しなければならないことも意味します。

多年生植物、特にヒマラヤマスタードは青海チベット高原原産で、開花するまでに最大 5 か月間の低温処理 (冬の条件をシミュレート) を受ける必要があります。人工的に冬を再現した低温冷蔵室では、古くなった葉はカビや腐敗が発生しやすいため、定期的に清掃する必要がある。

植物が温度変動の影響を受けないようにするため、これらの作業は冷蔵倉庫で行われることが多いです。夏には、半袖と短パン姿の科学研究者たちがドアの外でダウンジャケットを着て、冷蔵倉庫に入り、作業を行う。

プロジェクトのタイムラインを簡単に振り返ってみましょう。プロジェクトは2014年に始まり、最初の一年生/多年生ハイブリッドの組み合わせは2017年に、2番目のハイブリッドの組み合わせは2018年に得られ、実験に必要なすべての突然変異材料は2022年に得られました。発表された論文のデータのほとんどは、実際には過去3年間に完了しました。しかし、論文に反映できない上記の努力こそが、その基礎となるものである。

研究の結論

研究者らは、遺伝子の位置付けを通じて、アブラナ属とサッカリフローラ属の両属の植物の生活習慣を決定する3つの重要な遺伝子、すなわちFLC、FLM、MAFを発見した。これら 3 つは、密接に関連した開花阻害遺伝子のクラスに属します。

研究者らは遺伝子編集技術を用いて、多年生ヒマラヤマスタードのFLC、FLM、MAF遺伝子を一つずつノックアウトし、これらの遺伝子を一つずつ失うことで、植物が多年生から二年生、さらに一年草へと変化することを発見した。

研究者らは、トランスクリプトームとエピゲノムデータを組み合わせて、植物の多年生開花戦略を決定する中核となる分子メカニズムをまとめた。多年生植物の FLC、FLM、MAF 遺伝子は、冬が来る前に開花を抑制します。冬の低温によりこれらの遺伝子の発現が抑制され、植物は春に開花できるようになります。その後、気温が上昇すると、FLCなどの遺伝子が再活性化され、植物は開花期を終えて栄養成長状態に戻り、毎年同じような花が咲くようになります。

研究者らはその後、多年生植物のFLC、FLM、MAF遺伝子を一年生植物（冬季一年生植物を含む）のサトウキビ、シロイヌナズナ、菜種に移し、上記の植物を多年生植物に転換することに成功した。

今後の展望

理想的には、完璧な科学研究には、興味深い科学的なストーリーと実用的な応用価値という 2 つの主要な要素が含まれている必要があります。

要約すると、既存の理論的根拠を利用して適用可能な多年生アブラナ科作物を生み出すには、まだ長い道のりが残っています。温室条件下で多年生植物として生育できる菜種は、畑のより複雑で変化しやすい環境でも多年生植物として生育し続けることができるのでしょうか?多年生植物が開花し実を結ぶと、そのエネルギーの一部は種子に与えられ、残りの一部は自身の生存を維持するために使われます。これは、多年生作物の収穫量が従来の作物よりも低くなることを意味しますか?標的分子設計を通じて、作物の収穫量と多年生性の維持の完璧なバランスを達成することは可能でしょうか?実際の生産に応用できる可能性のあるこれらの科学的問題が、今後の研究の焦点となるでしょう。

参考文献

[1] Zhai D、Zhang LY、Li LZ、他。 （2024年）。 「アブラナ科植物における一年生開花行動と多年生開花行動の相互転換」細胞

企画・制作

制作 |科学普及中国

著者: 王嘉偉、翟東 (中国科学院分子植物科学卓越センター)

プロデューサー｜中国科学博覧会

編集者：ヤン・ヤピン

校正：徐来林