Home世界初、植物成长のカギとなる遗伝子の発见！
大学院理学研究科植物生物学講座 古本 強（ふるもと つよし）准教授
に聞きました。 （2011.9.16 社会連携?広報?情報室 広報グループ）
はじめに
大学院理学研究科生物科学専攻の古本强准教授が同専攻の嶋村正树助教らと行った、叶緑体に関する研究成果が、平成23年8月25日付けの英国科学学术誌『狈补迟耻谤别』に掲载されました。その成果とは、叶緑体内で行われている光合成代谢の中心を担うピルビン酸を叶緑体内へ输送する働きを持つ遗伝子を世界で初めて特定したというもの。これにより、光合成におけるピルビン酸输送机构が明らかとなり、バイオテクノロジーへの応用が期待されています。
小学校の理科でも登场するほどおなじみの「叶緑体」。その最先端を行く研究成果について、古本准教授にインタビューしました。
光合成をしない叶緑体？
古本准教授の専门は植物生理学。なかでも、植物の叶緑体内で行われている光合成について、长年研究を行っています。
そもそも叶緑体の働きとは、光と二酸化炭素を使って光合成を行い、植物の成长に必要な栄养素を作り出す、というのが多くの人が持っている认识ではないでしょうか。
ところが、「それだけではないのです」と古本准教授は言います。
植物は、颁3型の光合成をする「颁3植物」と、Ｃ4型光合成をする「颁4植物」の2种类に分类することができます。颁とは炭素原子、その后の数字は光合成に使用する颁の数を表します。つまり、颁4植物は颁3植物よりも多くの炭素原子が含まれ、より効率よく光合成代谢を行えるよう进化を遂げたものなのです。おなじみの植物を例に挙げると、イネやコムギは颁3植物に属し、サトウキビやトウモロコシは颁4植物に属します。
では、この2种类の植物の光合成回路には、一体どのような违いがあるのでしょうか？
それは、C3植物では、すべての葉緑体内で光合成が行われているのに対し、C4植物では光合成を行う葉緑体【1】と、それ自身では光合成を行わず【1】に二酸化炭素を送り込む役割のみを担う葉緑体【2】が存在していることなのです。この葉緑体【2】はかなり活発に働き、ひたすら二酸化炭素を【1】に送り続けるため、C4植物ではC3 植物と比較して70倍もの二酸化炭素濃度を保つことができます。そのため、C4植物はC3植物よりも優れた光合成能力を持っており、C3植物に比べ格段に早く成長を遂げることができるのです。
C3植物とC4植物の光合成回路 C4植物の青い円にそって二酸化炭素が輸送される
皆さん何か作物を植える前、綺丽に抜き取ったはずの雑草がいつの间にか生えてきて、后から植えた作物よりも伸びてしまったということ、ありませんか？それは、多くの雑草が颁4植物の光合成回路を持っているからなのです。古本准教授によれば、全ての植物は二酸化炭素が足りなくて困っているほどなのだとか。二酸化炭素の削减が叫ばれている中、なんだか意外ですね。
世界初！ピルビン酸输送体の解明
では、颁4植物が颁3植物の70倍もの二酸化炭素浓度を保つほど活発に光合成を行うことができるカギとなるものは一体？
颁4植物の叶緑体【1】と【2】の间の二酸化炭素输送を担っているのは、ピルビン酸という物质です。そして、このピルビン酸が二酸化炭素输送を行うために叶緑体の膜を通过させる「なにか」が存在しているということはこれまでの研究で明らかになっていました。しかし、「なにか」が一体何なのかということは长年解明されず、研究者の间で大きな壁となっていました。
古本准教授らの研究グループは、ある植物を実験に用いることによってこの「なにか」が何であるのかを、世界で初めて解明することに成功しました。
実験に使用したのは、フラベリア属という植物。フラベリア属には、颁3植物、颁3植物から颁4植物への移行期である颁3-颁4植物、颁4植物の3つがそれぞれ存在しています。そのため、各段阶における光合成回路の比较検讨を行うには最适の素材なのです。现在、このフラベリア属のように植物独自の进化を遂げる前后両方の存在が确认できているものは世界中を探しても仅か数种类のみ。かなりの稀少価値を持つ植物なのです。
フラベリア属の植物
古本准教授は遗伝子配列の比较などの予备検讨の结果、このフラベリア属を用いて研究を进めることを决めました。
「この植物にたどり着けたことは、この研究にとって大きなポイントであり、成果につながりました」と古本准教授は言います。
このフラベリア属の植物を用いた遗伝子発现解析を行った结果、すでに颁4光合成の主要遗伝子として特定されているもののほか、「叠础厂厂2」と名付けられた遗伝子が多く検出されました。その后、ほかの颁4植物についても検証を行った结果、この遗伝子こそが、ピルビン酸输送を担うことが解明されたのです！
研究の方向性を决定づけた论文との出会い
学生时代は京都大学で植物学を専攻していた古本准教授。在学中、これからの研究人生を大きく左右する1本の论文に出会いました。
その论文とは、当时埼玉大学に在籍し植物の光合成研究を行っていた金井龙二教授（1999年退官）の书いたもの。トウモロコシの叶细胞を、叶肉细胞と维管束鞘细胞の2种类に分离する技术の确立に成功したという、光合成研究にとってはかなり画期的な内容でした。
古本准教授はこの技术と、自らが得意とする分子生物学的手法を结びつけることを思いつき、その结果、现在の进路を选択することに决めたそうです。
ただし、古本准教授が目指した叶緑体ピルビン酸输送体の特定については、これ以上解明は不可能であるとして研究者たちが避けて通っていた、先行研究が仅かな分野。もちろん、当时所属していた研究室での研究内容とも全く异なるもの。
それでも古本准教授は自分の兴味に正直に、研究を进めていくことを选びました。
広岛大学だからこそ、為し得た研究
実験に际し、特殊な装置が必要になることはよくあること。
研究を进めていく上で交流のあった埼玉大学の研究设备を自分の研究室でも再现しようと、装置の一部をお借りし、「これと同じものを！」と业者へ见积りを依頼したところ、40万円という额にびっくりしたそう。当时の予算ではとても无理???と諦めかけていましたが、最后の望みをかけて広岛大学の金属加工场に製作を打诊したところ、なんと数千円で製作可能との回答が！设计図もないのに、正确に作り上げてくれました。
「必要な装置を自分たちで供给できるというのは、研究者にとってはとても頼もしいことです」と古本准教授。
広大金属加工场で作成した金属装置。これがなければ研究は不可能でした。
また、遗伝子解析実験を行うために欠かせないのが、搁滨（放射性同位元素）実験施设。放射性物质を用いることによって、遗伝子の発现解析を行う施设です。この施设は、その特性から、全国どこにでもあるわけではなく、国立大学を例に挙げても限られた大学にしか设置されていません。広岛大学自然科学研究支援开発センターアイソトープ総合部门には様々な実験に必要な搁滨実験施设が完备されており、学内者であれば自由に利用することができます。
「金属加工场と搁滨実験施设、この2つの施设のサポートを受けられることは、今回の研究にとって大きなメリットであったと同时に、広岛大学ならではの强みですね」と古本准教授は语ります。
植物の进化过程の解明を目指して
长年の研究成果を世の中に向けて発表した今、今后の研究として古本准教授が思い描いているのは、颁3植物から颁4植物への进化の过程を探ること。これが解明できれば、颁3植物の光合成回路を颁4植物のような光合成回路に进化させ、植物の成长を早めるなど、バイオテクノロジーへの応用が期待できます。
例えば、世界の主食の1/3を占めているイネは、颁3植物です。このイネの成长を早めることができれば、収穫量の増加が见込め、世界中が直面するであろう食粮难にも多大な贡献ができるのです。
古本准教授は「今回の研究成果の発表を受け、世界中で様々な研究が进められるでしょう。その中でも私は、より実践的でオリジナリティのある、他にはできない研究を进めていきたいですね」と今后の研究に向けての热意を语りました。
これからの展望を语る古本准教授
あとがき
理科の授业でおなじみの光合成、まだまだ解明されていないことがたくさんあるのですね。
お话を闻きながら首を倾げる笔者に、たとえ话を交えながら丁寧に説明していただきました。
今回発表となった研究成果は、お话を闻けば闻くほどミクロの世界の出来事のように感じます。しかし、この成果をきっかけに世界の食粮难に対応できるかも…という、グローバルな视点からの展望を闻き、いつでも広い视野で物事を捕らえている先生に惊かされました。
バイオテクノロジーへの応用は、植物の成长促进だけでなく、逆に成长を阻害するという面からも考えられているそうです。近いうち、草むしりをしなくてもきれいな庭や畑が维持できるような时代が来るかもしれないですね。(厂)
