自然科学研究機構 基礎生物学研究所
東京工業大学
約4億7千年前、淡水域から陸地に進出した植物は、乾燥、細菌感染、強い光など、陸上環境の厳しい条件に直面しました。これらの過酷な環境下で植物は、主にワックスやクチンからできているクチクラと呼ばれる疎水性の膜を発達させてきました。このクチクラは、植物の表面を覆い、体内部の水分の蒸発を抑制し、強い太陽光や細菌感染などから体を守る役割を果たしてきました。一方、植物のクチクラは、伸び縮みにより一定以上の力がかかると破損するため、組織や器官の成長を制限する一因ともなります。昆虫にも、主にキチンからできている硬いクチクラが存在し、体の表面を守っていますが、脱皮により最外にあるクチクラを脱ぎ捨て成長することができます。植物は脱皮することができないため、クチクラで覆われた組織や器官がどのように成長するのか、その仕組みはよく分かっていませんでした。
基礎生物学研究所のLiechi Zhang特任専門員、長谷部光泰 教授、石川雅樹 助教らと、東京工業大学 生命理工学院 生命理工学系の佐々木(関本)結子 博士（研究当時）、下嶋美恵 准教授、太田啓之 名誉教授らによる共同研究チームは、コケ植物であるヒメツリガネゴケの葉に着目しました。ヒメツリガネゴケの葉は、ほぼ一層の細胞から作られており、成長に伴い、内側から外側に向かって展開します。そこで、成長中の葉を詳細に調べたところ、葉の表側に新たにクチクラを作り出すことで葉の表側を伸長させ、結果として葉が内側から外側へ向くように成長させるという新たな仕組みを発見しました。研究チームはさらに分子レベルで解明を試み、成長中の葉に存在するPpABCB14と名付けたタンパク質が、細胞の表面にクチクラの材料を送り出すことで、その場所で新しいクチクラを作り出し、葉細胞の表側を伸ばすというメカニズムを明らかにしました。
植物の葉は、光合成によりエネルギーを生産するための主要な器官です。本研究で発見したクチクラによる細胞を曲げる仕組みは、光合成の効率を向上させるとともに、葉が展開する際に太陽光の影響を受けても水分の損失を抑える陸上環境への適応メカニズムの一つと考えられます。
本研究成果は2023年10月22日に、New Phytologist誌のオンライン版に掲載されました。
ポイント
-
クチクラは、植物の表面に光沢を与えている疎水性の膜で、陸上植物の表面に形成されて、風雨、乾燥、病原菌などの陸上環境の様々なストレスから体を守っています。また植物のクチクラを構成する分子は、組織や器官の成長に伴って細胞外に供給される必要がありますが、そのしくみは詳しくわかっていませんでした。
-
本研究では、コケ植物ヒメツリガネゴケの葉の展開に着目し、PpABCB14タンパク質の働きにより葉の表側に新しいクチクラを作り出し、葉の表側を伸長させることで外側へと展開させるという仕組みを発見しました。
-
この仕組みは、葉を展開させることで光合成効率を向上させるとともに、陸上の乾燥した環境で体から水分が損出するのを防ぐ役割も持つ、陸上環境に適応したメカニズムの一つと考えられます。
図 PpABCB14タンパク質を介したクチクラ形成による細胞の形を変える仕組み
