この分子メカニズムにより、植物は「口をコントロール」できる。

制作：中国科学普及協会

著者: 李 銀 (中山大学生命科学学院)

プロデューサー: 中国科学博覧会

私たちが子供の頃から本で習ったのは、植物は二酸化炭素（CO2）を吸収し、酸素と水を放出し、有機物を蓄積することができるので、「生産者」と呼ばれるということです。大気中の二酸化炭素濃度が上昇し続けるにつれて、地球全体の温室効果は強まり続けています。では、この場合、植物にもっと働かせて大量の CO2 を「食べ」させ、それによって有機物をより効率的に蓄積させる方法はあるのでしょうか?答えは「はい」です。

最近、米国、エストニア、フィンランドの科学者たちは、植物が「口をコントロール」できるようにする分子メカニズムを発見しました。

画像出典: Veer Gallery

CO2の同化プロセスはこの「口」から切り離すことはできない

これを見ると、友達の中には、植物に口があるのだろうかと混乱してしまう人もいるかもしれません。

地球の生命システムにとって二酸化炭素の同化プロセスが不可欠であることは誰もが知っています。植物の乾燥重量中の有機物の 90% 以上は炭素同化によって変換されます。植物が大気中の二酸化炭素を吸収し、細胞内の化学反応によってそれを固定し、糖、アミノ酸、有機酸などの有機化合物に変換するプロセスには、この「口」が必要です。

この「口」とはいったい何なのでしょうか？実際、気孔は主に葉の表面に分布する特殊な構造です。

植物は、葉の細胞間のガス空間の二酸化炭素濃度と昼夜の光強度の変化を感知して気孔を開閉することで、植物と大気との間のガス交換を調節することができます。葉の二酸化炭素濃度が上昇すると、気孔が急速に閉じ、蒸散が抑制され、水分が失われます。逆に、CO2濃度が低い場合、気孔が開きます。

植物の気孔

画像出典：著者提供

大気中の二酸化炭素濃度が継続的に上昇すると、植物の気孔が閉じてしまいます。これらの「口」が長期間閉じられたままになると、植物の水分蒸散、光合成、植物の成長過程に深刻な影響を及ぼします。

しかし、植物が環境中の二酸化炭素濃度の変化を感知し、センサーのような制御を通じて気孔の開閉を制御する仕組みは、これまで完全には解明されていませんでした。

つい最近、米国、エストニア、フィンランドの科学者による共同研究の結果、ついに植物細胞内にCO2センサーが発見されました。これは、植物が「口を制御する」ことによって CO2 の流入と流出を調節するために使用する分子経路です。

新しい発見！植物も「口をコントロール」できるのでしょうか？

この研究で発見された CO2 センサーには、いくつかのタンパク質キナーゼが関与しています。タンパク質キナーゼは、タンパク質のリン酸化プロセスを触媒する酵素です。これらの酵素は、タンパク質や酵素の構造と活性を変化させることができます。

タンパク質キナーゼの1つはHT1（high leaf Temperature 1）と名付けられました。これは、赤外線サーモグラフィーを使用して、シロイヌナズナから分離された突然変異体から昔に発見された遺伝子です。 HT1遺伝子変異を持つシロイヌナズナはCO2に対して鈍感で、低CO2濃度下では普通の植物よりも葉温が高く、水分を散逸させて葉温を下げる蒸散が何らかの理由で阻害されていることが示されています。

科学者たちはこれらの変異体シロイヌナズナを分析し、 HT1遺伝子の変異により、CO2濃度に関係なく植物の気孔が閉じたままになることを発見した。タンパク質キナーゼ HT1 の発見は、タンパク質のリン酸化が CO2 誘発性の気孔運動において極めて重要であることを示しています。

大気中のCO2濃度が気孔に与える影響

画像出典: Li Y, et al. JXB、2014、65(13):3657–3667。

これまでの研究に基づき、科学者たちは、 CBC（青色光と二酸化炭素の収束）タンパク質キナーゼファミリーの他の2つのタンパク質、CBC1とCBC2も気孔の二酸化炭素反応に重要な役割を果たすことをすでに知っていました。

青色光と低濃度の CO2 下では、CBC1 または CBC2 が気孔の開口を刺激し、CBC1 または CBC2 が HT1 と相互作用してリン酸化される可能性があります。したがって、 HT1 と CBC キナーゼはどちらも、高 CO2 濃度によって誘発される気孔閉鎖プロセスの負の調節因子であると考えられています。

対照的に、MPK（ミトゲン活性化プロテインキナーゼ）タンパク質ファミリーの他の 2 つのタンパク質キナーゼ、MPK4 と MPK12 は、気孔の開口を促進することができます。 MPK4 遺伝子と MPK12 遺伝子の二重変異により、植物の気孔は開いたままになり、高 CO2 濃度に対して鈍感になります。これは、 MPK4 と MPK12 が、気孔孔辺細胞における初期の CO2 シグナル伝達において重複する機能を持つ正の調節因子であることを示しています。

グリーンリーフ

画像出典: Veer Gallery

これまで、科学者はこの一連のタンパク質キナーゼの役割についてはある程度理解していたものの、正確なCO2センサーは不明であり、関連するシグナルネットワークのメカニズムも不明でした。

植物が「口をコントロール」したいなら、この「センサー」に頼らなければならない

この最新の成果は、CO2に関連する気孔調節シグナル伝達モデルを提案しています。

低 CO2 濃度下では、HT1 タンパク質キナーゼが下流の負の調節タンパク質キナーゼ CBC1 を活性化します。 CBC1 の活性化により、気孔閉鎖を引き起こすメカニズムが阻害され、気孔の両側にある孔辺細胞が膨張して、気孔が可能な限り長く開いたままになり、CO2 を吸収して光合成のニーズを満たすために「口を開ける」ことができるようになります。

植物が CO2 レベルの上昇を感知すると、MPK4/MPK12 タンパク質複合体 (MPK4/12) がこの調節プロセスに関与するようになります。孔辺細胞が高濃度の CO2 にさらされると、MPK4/12 と HT1 の結合が引き起こされます。これらのタンパク質が結合した後の相互作用により、HT1 キナーゼの活性が阻害され、CBC1 キナーゼの活性が低下し、さらに気孔閉鎖の誘導が促進され、植物が素早く「口」を閉じることができるようになります。

研究チームは実験現象に基づき、高CO2下でCBC1の働きを阻害し気孔閉鎖機構を活性化する未知のタンパク質ホスファターゼ（PPase）が存在すると予測した。 CBC ファミリーの相同タンパク質の 1 つ以上のメンバーは、CBC1 および CBC2 とともに、低 CO2 条件に応じて気孔の開口を制御する際に部分的に互いを置き換える可能性のある重複した機能を持っている可能性があります。

植物気孔CO2センサーとそのシグナル伝達モード

画像出典: Takahashi Y, et al. Sci Adv、2022、8：eabq6161。

気孔の CO2 応答メカニズムは植物の成長にとって非常に重要です。このプロセスは植物の水利用効率も調節します。この研究結果は、植物の呼吸の複雑な制御プロセスを説明するための新たな証拠を提供します。

緑の葉の気孔

画像出典: Veer Gallery

結論

気孔の開き具合を調節するCO2の核となるシグナル伝達機構が明らかになったことにより、植物の複雑な呼吸機構を利用して、強くて収穫量の多い作物を意図的に栽培することが可能になりました。

将来、科学者は大気中の二酸化炭素濃度の継続的な増加に対応して有機物を効率的に蓄積する作物の品種を育成し、植物が適切なタイミングで「口を開けて」より多くの二酸化炭素を摂取し、「口を閉じて」蒸散を減らすことができるようになるかもしれません。これにより、植物の炭素摂取量と水利用効率を高めるという遺伝的改良の目標を達成できます。待って見てみましょう！

編集者: Ying Yike

参考文献:

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