図1：aod2変異株とKLU過剰発現株の水不足・塩・高温耐性評価

近年、世界中で干ばつ・塩害・日照り（高温障害）が多発しており、農業生産に甚大な被害が生じている。これまでに多くの研究者が植物の環境ストレス耐性を向上させるための基礎研究や、その成果を利用した作物育種に取り組んできたが、応用面で十分な成果が得られていない。その一因として、実際のほ場では環境ストレスが複合的に生じるため、単一のストレス耐性増強では不十分で、幅広い環境変動に適応させる育種戦略の必要性が考えられる。

研究グループはこれまでに、数百のシロイヌナズナ野生系統を比較することで、水不足に耐性を示す野生系統を見出し、その水不足耐性の多様性を決定する遺伝子を同定。しかし、水不足耐性を示す野生系統の耐性メカニズムは不明だった。

今回、研究グループは水不足耐性を示す野生系統に突然変異処理を施し、水不足耐性が損なわれた突然変異株「aod2」を単離。この変異株は野生株と比較して、乾燥・塩・高温と幅広いストレス耐性が損なわれていた。その原因遺伝子を特定したところ、極長鎖脂肪酸合成に寄与するエノイル‐CoA還元酵素をコードするCER10遺伝子であることが分かった。

植物は乾燥や外部からの物理刺激から身を守るため、葉・根・茎をはじめとする植物体全身がクチクラワックスで覆われており、aod2変異株は野生株と比較してワックスが著しく減少していた。

一方、研究グループは、数百の遺伝子を個別に過剰発現させたシロイヌナズナのトランスジェニック植物系統より、水不足耐性が向上したトランスジェニック植物系統のスクリーニングを実施。その結果、酸化還元酵素のシトクロムP450をコードするKLU遺伝子を過剰発現させた植物「KLU過剰発現株」が、乾燥・塩・高温耐性を著しく向上させることが分かった。

今回明らかになったワックス量による水不足・塩・高温耐性メカニズム

KLU過剰発現株の葉が野生型と比較して明らかな光沢を示すことから、電子顕微鏡で植物体表面のワックス構造を確認したところ、野生株と比較して高次なワックス構造であることが分かった。また、ワックス構成成分である長鎖・極長鎖脂肪酸を定量した結果、野生株と比較して、aod2変異株では減少。逆にKLU過剰発現株では増加していることが明らかになった。タンパク質の三次元構造予測モデルより、KLUは長鎖脂肪酸を基質とし得ることが示唆された。

以上の結果から、植物の乾燥・塩・高温耐性にワックスが必須であること、さらにKLU遺伝子の発現調節によりワックスを増加させて植物の乾燥・塩・高温耐性を増強できることが明らかになった。

同研究により、塩・高温耐性にも寄与することが明らかとなり、さらにKLU過剰発現株については他のグループから様々な病原菌に抵抗を示すことが報告されている。KLU過剰発現株は、発現量によっては生育遅延を示すため、発現量の厳密なコントロールが求められるが、KLU遺伝子の発現調節によって、幅広い環境変動に適応する作物育種への応用が期待される。