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低分子生理活性物質から考える植物学：明らかになってきた新たな機能と分子メカニズム
岡本昌憲 1, 瀬尾光範 2

1

宇都宮大学 バイオサイエンス教育研究センター〒321-8505 栃木県宇都宮市峰町 350
2
理化学研究所 環境資源科学研究センター〒230-0045 神奈川県横浜市鶴見区末広町 1-7-22

Plant biology from the perspective of bioactive small molecules: recent
advances in the understanding of their new functions and regulatory
mechanisms
Masanori Okamoto1, Mitsunori Seo2
1

Center for Bioscience Research and Education, Utsunomiya University,
350 Mine-cho, Utsunomiya, Tochigi, 321-8505, Japan
2
RIKEN Center for Sustainable Resource Science,
1-7-22 Suehiro-cho, Tsurumi-ku, Yokohama, Kanagawa, 230-0045, Japan
Keywords: bioactive small molecules, plant hormones
DOI: 10.24480/bsj-review.13b1.00224
2021 年 9 月に開催された日本植物学会第 85 回大会（八王子）において，「低分子生理活性物質から考える植物学：明らかになってきた新たな機能と分子メカニズム」と題したシンポジウムを開催した。低分子生理活性物質の代表的な例として，植物ホルモンが挙げられる。
植物ホルモンは植物の発生，分化，成長，環境応答など生活環の様々な場面において不可欠な働きをするシグナル分子である。本シンポジウムではその様な分子群に焦点を当て，近年
明らかになりつつあるその新たな機能や詳細な分子作用メカニズムについて議論する場を設けたいと考えて企画した。
ここでタイトルに「植物ホルモン」という言葉を用いなかった理由について，簡単に説明したい。その一つは，植物ホルモンの定義が不明瞭になってきている点にある。オーキシン，
サイトカイニン，ジベレリン，アブシシン酸，エチレンの 5 つの分子が古くから植物ホルモンとして認識されており，それはら古典的なホルモン（five classical hormones）とも呼ばれる。
これに加え現在では，ブラシノステロイド，ジャスモン酸（類），サリチル酸，ストリゴラク
トンが植物ホルモンとして教科書に記載され，それらを認識する受容体の実態も明らかになっている。しかしながら，以上の 9 種のホルモンのなかには，分子構造が異なるものが同一受容体に結合する例や，特定の植物種のみに存在する分子種なども報告されている。さらにはペプチド・タンパク質の中にもいわゆる植物ホルモンとして機能するものが存在する。ペ
プチド性の活性分子は「ペプチドホルモン」と呼ばれ，FT タンパク質は比較的分子量が大きいことからペプチドホルモンとは区別され「花成ホルモン（フロリゲン）」などといった形で呼ばれることが多いと思うが，そこに明確な決まりはない。こうした中，当シンポジウム
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では遺伝子に直接コードされない低分子性の植物ホルモンに研究の対象を限定したかったので「低分子生理活性物質」という語を用いることにした。また，2008 年にストリゴラクトン
が植物ホルモンとして機能することが明らかになったことは記憶に新しいが，今後も植物ホルモンと呼ばれる低分子性の活性分子が増えていくであろうと予想される。だが，「低分子生理活性物質」のうちどの様な要素を持つものが「植物ホルモン」と呼ばれるようになるのであろうか？シンポジウムの終わりにはこの様な点についても議論したいと考え，タイトルにはあえて植物ホルモンという語を用いなかった。
この様に植物ホルモンに対する私たちの認識が変化してきているのは，様々な研究アプローチにより，新たな発見が次々となされていることに起因する。これは低分子性の植物ホルモン・生理活性物質に限定しても言えることである。本総説集では，異なるバックグラウン
ドを持つ 6 名の研究者が，それぞれの視点から自身の研究や周囲の研究動向について解説をする。これが様々な角度から植物ホルモンを見つめ直す機会となり，今後の本研究分野の発展に少しでも貢献できれば幸いである。

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アブシシン酸の多様な機能
岡本
1

昌憲 1

宇都宮大学 バイオサイエンス教育研究センター〒321-8505

栃木県宇都宮市峰町 350

Various physiological functions of abscisic acid
Masanori Okamoto 1
1

Center for Bioscience Research and Education, Utsunomiya University,
350 Mine-cho, Utsunomiya, Tochigi 321-8505, Japan

Keywords: abscisic acid, anthocyan, flowering, morphogenesis, root growth
DOI: 10.24480/bsj-review.13b2.00225

1．はじめに植物ホルモンのアブシシン酸（ABA）は乾燥ストレス応答，気孔閉鎖，種子休眠に主要な役割を果たす。ABA の代謝制御や受容体以降のシグナル伝達経路が明らかにされたことで，先述した主要な ABA の生理作用を引き起こす分子機構の理解が進んだ。しかし，他の植物ホルモンにも見られるように ABA の生理作用は多面的である。ABA の主要な生理作用の分子機構については，これまでの解説書や総説を参考にして頂き（浅見 and柿本 2016; Marion-Poll and Seo 2019; Zhang 2014），ここでは ABA の生理作用としては脇役な部分になるかもしれないが，植物の生活環における ABA の様々な機能についてスポットを当てて解説したい。

２．ABA による開花制御 （図１参照）
ABA は開花制御に関して対照的な作用を持つ（Shu et al. 2018）。ABA が開花を抑制す
る場合もあれば，促進する場合もある。なぜこのように相反する生理作用が存在し，それらがどのように制御されているのかが，徐々に明らかになってきた。まずは，ABA が開花を遅延することについて説明する。多くの植物種で ABA は開花を抑制することが知られている。ABA を散布することでも開花が遅くなることから（Wang et al. 2013），ABA
は開花に対して負に制御するシグナル分子といえる。また，ABA 欠損変異株のシロイヌ
ナズナを土で生育させると野生株よりも早く花が咲き，一方で ABA を蓄積した変異株は開花が遅い形質を示す。そして，ABA のシグナル因子等（ABI3, ABI4, ABI5 転写因子）などを過剰発現させたトランスジェニック植物の開花も遅くなる （Kurup et al. 2000;
Zhang et al. 2005; Shu et al. 2016; Foyer et al. 2012; Wang et al. 2013）。ABA が増加するこ
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植物科学最前線 13:54 (2022)とで，ABA のシグナル伝達を介して ABI3, ABI4, ABI5 の転写因子などが開花抑制因子である FLC 遺伝子の発現量を高め，開花スイッチである FT タンパク質や開花制御転写因
子 SOC1 の遺伝子発現を抑制する（Shu et al. 2016; Wang et al. 2013）。また一方で，ABI4
転写因子は，植物体におけるジベレリン(GA)の量を抑制することで開花を抑制する（Shuet al. 2016）。これらの分子機構によって，ABA は開花抑制に作用すると考えられる。
一方で，ABA が開花を促進する事例も報告されている（Martignago et al. 2020）。植物にとって深刻な乾燥ストレスが訪れる前に開花を早め，種子を付けることができれば，植物の生存戦略として有効である。乾燥によって増加した ABA が乾燥逃避のための開花を引き起こす分子シグナルとして作用する報告例がある。乾燥ストレスによって増加した ABA は bZIP 転写因子の ABF3 や ABF4 を活性化するが，abf3 と abf4 の 2 重変異株では開花遅延の形質を示す（Hwang et al. 2019; Yoshida et al. 2010）。そのため，この両者の転写因子は開花制御因子を制御することが予想され，abf3 と abf4 の 2 重変異株では転写因子 SOC1 遺伝子の発現が抑制されていた（Hwang et al., 2019）。ABF3 と ABF4 転写因子は SOC1 遺伝子のプロモーターには直接結合はせず，転写因子 NF-YC と複合体を形成することで，NF-YC 転写因子が SOC1 遺伝子のプロモーターに結合する（Hwang et al.
2019）。そして，この複合体は，SOC1 遺伝子の転写を促進し，乾燥逃避のために早期に開花をもたらす。また，乾燥誘導性の ABA は概日時計の制御因子である GIGANTEA（GI）
を介して CONSTANS （CO）をポジティブに制御することで，FT 遺伝子の発現を高め，
長日環境下における乾燥ストレス誘導性の開花を引き起こすことも示唆されている（Riboni et al. 2016）。このように，ABA が開花制御に対して異なる ABA シグナル伝達
経路を介して対照的な作用を持つ分子機構が示されたものの，どのようにそれらの制御機能が切り替わるのかは，未だ明確ではない。

図 1. ABA による開花制御

図 2. ABA による根の成長制御

３．ABA による根の成長制御 （図 2 参照）
ABA は根の形態や成長を制御する。低濃度の ABA は主根の成長を促進することが古くから知られていたが，この分子機構はこれまで不明であった（Mc Adam et al. 2016; Saab
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et al. 1990; Spollen et al. 2000）。ABA シグナル因子の負の制御因子である 2 型タンパク質
脱リン酸化酵素（PP2C）の多重変異株（abi1-2/abi2-2/hab1-1/pp2ca-1 の四重変異株，以下
Qabi2-2 変異株）は，僅かに ABA 感受性が向上しており，主根の伸長が野生株に比べて長い形質を示す（Miao et al. 2021）。この形質は低濃度の ABA を野生株に投与したときと同様の形質を示す。細胞伸長に関わる ATP 加水分解酵素(ATPase)の阻害剤を投与する
ことで，低濃度の ABA 投与や Qabi2-2 変異株における根の伸長促進が阻害されることか
ら，低濃度の ABA は ATPase の活性化を促進していると予想された。実際に，低濃度のABA 投与や Qabi2-2 変異株の主根の伸長領域領域では，細胞内からアポプラストへのプ
ロトン流出量が増加しており，ATPase の活性化も起きていた。このことから，オーキシンの生理作用で見られるように，低濃度の ABA はアポプラストの酸性化を引き起こし，
これに伴い細胞壁分解酵素の活性化によって細胞壁が緩み，細胞伸長が起きていると考えられる。では，どのように ABA シグナル因子が ATPase の活性を制御しているのだろうか？ABA シグナル伝達因子の PP2C のメンバーである ABI1 は ATPase の AHA2 に結合し，AHA2 を脱リン酸化している事が示された。つまり，低濃度の ABA は高親和性型
ABA 受容体を介して PP2C の活性を抑制する。その結果，ATPase のリン酸化状態が維持され，アポプラストへのプロトン流出量増加による酸性化によって，根の細胞伸長が起こることが示されている。
一方で，根における ABA 濃度が高くなると，主根の伸長阻害が起きる。シロイヌナズ
ナでは，ABA 受容体遺伝子が 14 種類も重複しているが，そのうち主に PYL8 受容体が根の伸長阻害に関わる（Antoni et al. 2013）。pyl8 変異株は他の ABA 受容体が機能していても，ABA による主根の伸長阻害が緩和される（Antoni et al. 2013）。興味深いことに
PYL8 受容体は他の ABA 受容体とは異なり，ABA によって受容体タンパク質が安定化
し，核内に蓄積する（Belda-Palazon et al. 2018）。PYL8 による ABA シグナル因子群の活性化によって主根の成長阻害を引き起こすと考えられる。また，ABA と側根の関係においては，ABA 濃度が高くなると側根の伸長成長が抑制されるが，pyl8 変異株では興味深いことに側根の伸長阻害がさらに強まる（Zhao et al. 2014）。このことから，PYL8 受容体と側根成長に関わる因子との相互作用が示唆された。実際に，PYL8 受容体は転写因子
MYB44，MYB73，MYB77 と ABA 非依存的に結合する。MYB77 転写因子は，オーキシ
ン応答性 IAA7，IAA17，IAA19，GH3 や PIN1 遺伝子などのプロモーターに結合し，これら遺伝子の転写を活性化する。この活性化は PYL8 受容体タンパク質と MYB77 転写因子が共発現することで，オーキシン応答性遺伝子の発現が向上することから，PYL8 受容体は側根の成長にポジティブに作用する機能を有することが示されている。ただし，pyl8 変異株では IAA の投与によって側根の伸長阻害が緩和する。このことから，MYB77 転写因子は IAA シグナル伝達経路と PYL8 受容体がそれぞれ独立した形で制御されるものと考えられている。しかし，開花制御と同じように，根における ABA の濃度変化が起こった
場合に，どのように根の伸長促進と成長阻害の制御機構が切り替わるのかは不明なままである。
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４．ABA による地上部の形態形成 （図 3 参照）
周囲の環境変化に応じて生じる葉の形態と ABA の関わりについては，特に水辺に生息する植物でその作用機構の解明が進められている。チョウジタデ属アカバナ科のLudwigia arcuata，オオバコ科アワゴケ属の Callitriche palustris やその他の水草の多くは，
水中では水中葉を形成し，葉が水上にあると陸上葉を形成する（Kuwabara et al. 2003; Koga
et al. 2021）。一般的に，水中葉は形態的に細く，全体的に柔らかいのに対して，陸上葉は葉が丸く，茎が太く，しっかりしている。環境に応じて水中葉と陸上葉が可塑的に形成される異形葉性は，植物ホルモンの ABA とエチレンが大きく影響している。水中葉の内生 ABA 量は陸上葉に比べて低い。エチレンは水に溶け難いため，水中で形成される水
中葉ではエチレン内生量が高く維持され，水上ではエチレンが大気中に容易に拡散するため，陸上葉ではエチレン内生量が低い。水中に ABA やエチレン作用阻害剤を与えて生育させると，水中であっても陸上葉が形成される（Kuwabara et al. 2003; Koga et al. 2021）。
つまり，陸上葉の形成にはエチレン作用の減衰，あるいは ABA 作用が強くなることが必要である。一方で，水中葉の形成には植物種によって制御が異なることが示されている。
Ludwigia arcuata はエチレンの投与によって，陸上でも水中葉を形成させることができる（Kuwabara et al. 2003）。これに対して，Callitriche palustris L.ではエチレンや GA の複合処理によっても水中葉が形成されることがないため，さらにほかの制御因子が必要であることが示唆されている（Koga et al. 2021）。陸上葉では，ABA や他の植物ホルモンが相互作用して，葉の形態や気孔分化に関係する様々な因子がトランスクリプトーム解析から見出されているが，どのようなシグナル伝達経路を介して制御されているのかは明確ではない。
浮きイネやタデ科スイバ属の Rumex palustris は，大雨や洪水などによって植物が冠水すると，水中での嫌気環境を回避するために器官の一部を伸長させる（Kende et al. 1998;
Voesenek et al. 1997）。この時に相互作用するのも，エチレンと ABA である。水の中ではエチレンは拡散しにくいために，エチレンが植物体内にとどまり濃度が高くなる。その結果，ABA が減少して，GA の内生量が増加することで，浮きイネではシュートが伸長し（Kende et al. 1998），Rumex palustris では葉柄が伸長する（Benschop et al. 2005）。

図 3. ABA による地上部の形態形成

図 4. ABA と色素蓄積
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これ ら両者では，冠水中でも ABA を投与することで器官の伸長が抑制されること

や，陸上で もエチレンを投与することで，内生 ABA 量が減少し，器官の伸長が起こる
ことから，双子葉植物と単子葉植物という異なる植物種でも冠水応答で利用されるホルモンは類似している。特に，エチレンに応答して内生 ABA 量が減少する際には，ABA を
不活性化する鍵酵素遺伝子（CYP707A）の発現が顕著に上昇することから，エチレンの下流シグナル転写因子が CYP707A 遺伝子の発現を制御していると思われる（Saika et al.
2007）。このように環境変化に応じて ABA 量が変化し，他のホルモンとの相互作用によって可塑的に形質を変化させる機能がある。

５．ABA と色素蓄積 （図 4 参照）
イチゴ，ブドウ，リンゴなど多くの果物で，ABA が果皮のアントシアニン蓄積や果実の成熟に関与ことが報告されている（An et al. 2018; Chai et al. 2011; Peppi et al. 2006）。
植物がアントシアニンを蓄積する生理的意義は，紫外線をクエンチングする働きや環境
ストレスの際に発生する活性酸素に対するスカンベンジャー作用を有することで，細胞を保護することである。一方で，園芸的な側面からは，果物の鮮やかな色彩は，品質指標の一部として重要であり，果物の価格に影響する。ブドウでは，果実成熟の際に，内生ABA 量が急激に増加し，この増加に伴い果皮のアントシアニン蓄積に加えて，糖の蓄積，有機酸の低下，果物の軟化も起こる（Kuhn et al. 2014）。また，果実成熟の際に，外からABA を投与することでも，果皮のアントシアニン蓄積を促進することができるが，単独投与よりも複数回投与で効果が高い（Koyama et al. 2018）。イチゴでは，ABA 受容体を可食部の花託で部分的にジーンサイレンシングを起こすことで，その部位のアントシア
ニン蓄積が抑制されることから，アントシアニンの蓄積は ABA 受容体を介して引き起こされる事が示されている（Chai et al. 2011）。ABA 受容体以降のシグナル経路を介して，
ABA はアントシアニン生合成の鍵転写因子である MYB 転写因子の遺伝子発現を増加させる。そして MYB 転写因子の発現増加に伴い，フェニルアラニンアンモニアリアーゼ（PAL）遺伝子，カルコンシンターゼ（CHS）遺伝子，フラバノン-3-ジオキシゲナーゼ（F3H）遺伝子，ジヒドロフラボノール還元酵素（DFR）遺伝子とその下流アントシアニ
ン生合成酵素遺伝子群の発現誘導が起きる（Koyama et al. 2010; Koyama et al. 2018）。しかしながら，果皮におけるアントシアニンの蓄積誘導には紫外線が必須である。紫外線の UVB が UVR8 受容体を介して MYB 転写因子を活性化させ，アントシアニン生合成酵
素遺伝子郡の発現が高まり，アントシアニンの蓄積が起こる（Zoratti et al. 2014）。ABAが UVB シグナル伝達経路によって誘導されるアントシアニン生合成の制御機構とどのように関わっているのか，その詳細な分子機構の解明が期待される。

６．おわりに
これまで，ABA 生理作用の理解には，遺伝学的な材料が利用できる植物を中心に精力的に行われてきた。次世代シーケンスの出現により，非モデル植物でも分子レベルの解
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析が展開できるようになり，研究対象の植物が変わるだけで思いがけない ABA の働きを知ることができる。今回は紹介しなかったが，アフリカで甚大な農業被害をもたらす根寄生雑草のストライガは，乾燥地にもかかわらず ABA の生理機能を低下させている。
ABA の感受性を低下させることで，自身の蒸散量が盛んになり，その結果，宿主の根における連結部を介して水の流れを自身に傾かせる。こうして，ストライガは乾燥条件で宿主から養水分を効率的に奪取する生存戦略を取っている（Fujioka et al. 2019）。このよ
うに，今後は，多様な植物がもつユニークな ABA 生理作用の理解が進むのかもしれない。
しかしながら，非モデル植物は依然として，遺伝子ノックアウトや遺伝子過剰発現株な
どの研究材料を容易に用いることはできない。非モデル植物の遺伝子機能を明らかにするために，モデル植物のシロイヌナズナやイネを利用する事はこれまでも行われてきたが，例えば ABA の作用を打ち消す分子ツールである ABA アンタゴニストや ABA 生合成阻害剤などを分子生物学的解析と併用することで（Dejonghe et al. 2018），分子遺伝学でカバーしきれない部分を補い，新たな ABA の生理作用の発見や分子制御機構を明らかにすることができるだろう。

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構造解析から明らかとなったジベレリン及びオーキシン不活性化酵素の 共通した代謝メカニズム竹原 清日名古屋大学 生物機能開発利用研究センター〒464-8601 名古屋市千種区不老町

Common Metabolic Mechanisms of Gibberellin and Auxin Inactivating
Enzymes Revealed by Structural Analysis
Sayaka Takehara
Bioscience and Biotechnology Center, Nagoya University,
Furo, Chikusa, Nagoya, Aichi, 464-8601, Japan
Keywords: auxin, gibberellin, plant hormone
DOI: 10.24480/bsj-review.13b3.00226
１．はじめに環境に応じて動くことができない植物にとって,“成長するのか, もしくはそれを止めるのか”という問題は非常に重要である。植物は成長に適した条件（光，温度，水，養分など）を必要とし，それがなければ成長を止める必要があるからだ。特に大気や土壌の栄養条件や病害や乾燥や光などのストレスに曝露された際，植物は生存のためにさまざまな戦略をとっている。なかでも，一連につながった生合成・代謝経路を制御することは重要で，これにより恒常性と生命の維持を行っている。実際, 植物成長ホルモンであるジベレリン（GA）やオーキシン（IAA）量は，生合成および代謝酵素の協調的な転写調節による負のフィードバッ
クまたは正のフィードフォワード機構により一定範囲内に維持されている（Thomas et al.
1999; Yamaguchi 2008）。しかし，タンパク質レベルにおける制御機構に関しては不明な点が多い。最近我々は, イネにおいて GA および IAA 代謝酵素が基質レベルに応じてタンパク質の立体変化を起こし，酵素活性を高めることによって植物ホルモンの恒常性を維持する共通のシステムが存在することを示した。このことは, モノーが提唱したアロステリック制御
が植物ホルモンの代謝系に働いていること，さらにその分子メカニズムを新たに提示できたことを意味する。本稿では，これら GA に関する制御を中心に, 植物ホルモンの代謝酵素の新
たな活性調節機構について，筆者らの最新の知見を織り交ぜながら解説する。

２．ジベレリンとその受容ジベレリン（GA）は種子発芽, 器官の伸長, 花芽形成, 果実の発達など, 植物の多様なプロセスを促進する植物ホルモンの一つである（Thomas et al. 1999）。ent-ジベレラン骨格を持つ
ジテルぺン化合物で, 130 種類を超える化合物が同定されている非常に大きなグループを形

S. Takehara - 1
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成し, 図 1 に示すように,

g-lactone(A)

炭素数 20 の分子群（C20GA）と, 炭素を 1 つ失い
ラクトン環を 1 つ持つ分子群（C19-GA）の 2 種類

3b-OH

GA4 C6-carboxyl
group

GA1

GA3

(B)

が存在する。植物中で生22

理活性を示すのは C19-GA
グループに属し, 3β位に

GA110
C20-GA2ox

GA51
GA34
C19GA2ox

水酸基を有するごく一部の形態（GA1, GA3, GA4,

3

GA12

GA7）に限られ（図 1）（Bömke and Tudzynski
2009; Hedden and Sponsel

GA15
GA24
GA20ox

GA9
GA4
GA3ox
3

GA53

GA44
C20-GA2ox

2015）, その他は前駆体や

GA19

GA20
GA1
C19GA2ox

代謝物質として存在する。GA の研究は, 1900 年
代初頭の日本において, イ
ネの過剰成長や不稔などの病気がカビの感染によ

GA97

GA29

GA8

図1 GA⽣合成及び代謝経路(A) 活性型GAの構造。その特徴は、① 6位炭素にカルボン酸がついていること、② 3位炭素に⽔酸基がついていること、③ γ-ラクトン環があること、④ 2位炭素に⽔酸基がついていないことなどが知られている。
(B) 植物におけるGA⽣合成の最終段階及び代謝経路。

るものであったことに端を発する。その後, この病気は馬鹿苗病と呼ばれる Gibberella fujikuroi（現在は Fusarium
fujikuroi に分類）の分泌物によるものであることが明らかとなり, そこから活性成分である“ジベレリン”という名前が付けられた（Kurosawa 1926; Yabuta and Sumiki 1938; Takahashi
et al. 1955; MacMillan and Suter 1958)。2005 年には GA に対して非感受性の矮性変異（植物の丈が低くなる変異）を起こしたイネの原因遺伝子 gibberellin insensitive dwarf1（GID1）が単離され, この遺伝子の作るタンパク質 GID1 こそが GA 分子の受容体（核内受容体）であることが明らかとなった（Ueguchi-Tanaka et al. 2005）。通常 GID1 が GA を核内で受容すると，
GID1 と GA シグナル伝達の抑制因子である DELLA タンパク質との相互作用が高まり, ユビ
キチン／プロテアソーム経路を介して DELLA タンパク質が急速に分解されることにより
DELLA が抑制していた GA の作用が顕在化するというものである（Griffiths et al. 2006;
Ueguchi-Tanaka et al. 2007）。ついで 2008 年に X 線結晶構造解析により GID1 の立体構造が明らかになった（Shimada et al. 2008; Murase et al. 2008）。GID1 受容体の全体構造は, ホルモ
ン感受性リパーゼ（HSL ファミリータンパク質）（Ileperuma et al. 2007）とまったく同じ骨格の構造（α/β 水解酵素型構造）をしていたが,GA 結合部位はリパーゼの活性部位である
Ser, His, Asp のうち His が Val へと置換されることによって GA の認識に寄与していた。また, GID1 による GA の認識は,活性型 GA の特徴である C6 位のカルボキシ基と C3 位の水酸基との親水性のネットワークや, ジベレラン骨格などを認識する疎水性相互作用など数多くの結合による事も明らかとなった。

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３. GA の生合成と代謝
３−１．GA 生合成酵素
栄養生長期の葉や茎における GA 内生量は, グラム新鮮重量あたり数 pmol 程度（Hirano etal. 2008）とごく微量でありながら植物に多大な影響を与えていることから, 植物体内での生合成は非常に厳密に調節されていると予想される。一般的には GA 生合成経路の後半段階でGA 20-oxidase（GA20ox）および GA 3-oxidase（GA3ox）が働き, これら全ての酵素は 2-オキ
ソグルタル酸依存性酸化酵素（2ODD）（Yamaguchi 2008; Mitchum et al. 2006; Sun 2008）に属する。GA20ox は GA9 と GA20 を生成し, その後, GA3ox が GA 生合成の最終段階を触媒してそれぞれ GA4 および GA1 に変換する。生合成の最終段階を担う GA3ox は小さなファミリーとして存在しており, シロイヌナズナには 4 つ, イネとオオムギには 2 つのメンバーがあるだけである。シロイヌナズナでは AtGA3ox1 と AtGA3ox2 の 2 つの酵素が, イネでは OsGA3ox2 の
1 つだけが器官の発達に主要な役割を果たしている。OsGA3ox2 遺伝子の機能欠損変異体である d18-AD (Akibare waisei), d18-Id18h (housetsu waisei), d18-dy (Waito-C) は, 活性型 GA である
GA1 レベルの低下により深刻な矮性の形質を示し, その発現も活性型 GA によってフィードバ
ック制御されていることから, この酵素が触媒するステップは活性型 GA レベルを制御するための重要なステップであることを明確に示している（Itoh et al. 2001）。また, イネのもう一つの酵素 OsGA3ox1 は葯で特異的に発現し, 最近花粉の発達に寄与していることが明らかとなった（Kawai et al. 2022）。興味深いことに, OsGA3ox1 は活性型 GA によるフィードバック
制御を受けない（Itoh et al. 2001）。

３−２．GA 代謝酵素
GA のホメオスタシスは, 植物の適切な成長と発達に不可欠であるため, GA の生合成と代謝の両方により厳密に制御されている。生合成の進化とともに, 代謝に関しても活性型 GA のレ
ベルを低下させるいくつかのメカニズムが進化してきた（Varbanova et al. 2007; Gao et al.
2016）。GA の代謝・不活性化過程として, 2 位の水酸化や 6 位カルボキシル基に対するメチ
ルエステル化, 16, 17 位へのエポキシ化, 13 位水酸化など多くの不活性化反応が報告されているが, このうち代表的な GA 代謝は 2-oxidase (GA2ox)と呼ばれる 2ODD が触媒するプロセス
で, 活性型 GA を 2β-ヒドロキシル化によって不活性化する（Sakamoto et al. 2004）。この酵素は, 基質によって大きく 2 つのグループに分けられ, 生理活性のある C19-GA とその直前の前駆体を不活性型に変換する C19-GA2ox（Thomas et al. 1999；Hedden and Thomas 2012）と, C20型の前駆体 GA（GA12 や GA53 など）に作用する C20-GA2ox（Schomburg et al. 2003；Hedden
and Thomas 2012）である。シロイヌナズナでは 5 つの C19-GA2ox (AtGA2ox1, AtGA2ox2,
AtGA2ox3, AtGA2ox4, AtGA2ox6) と 2 つの C20-GA2ox (AtGA2ox7, AtGA2ox8) が確認されており(Rieu et al. 2008), イネでは 7 つの C19-GA2ox 遺伝子 (OsGA2ox1, OsGA2ox2, OsGA2ox3,
OsGA2ox4, OsGA2ox7, OsGA2ox8, OsGA2ox10) と 3 つの C20-GA2ox (OsGA2ox5, OsGA2ox6,
OsGA2ox9) が同定されている (Lo et al. 2008)。C19-GA2ox は裸子植物と被子植物の分岐前に,
C20-GA2ox は初期の被子植物に出現し（Yoshida et al. 2020）, GA2ox ファミリーは一気に拡
大して組織・器官レベルでの遺伝子発現の特異性やストレスへの応答（Colebrook et al. 2014）

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植物科学最前線 13:65 (2022)が可能になった。C19 および C20-GA2ox のコピー数が被子植物で急速に増加していることは,
この GA 不活性化のネットワークシステムが被子植物の進化にとって重要であるということを示唆している。それと同時に, GA20ox や GA3ox などの GA 合成酵素のコピー数も急速に増加し, 結果的に被子植物は活性 GA のレベルを絶妙にコントロールする高度なシステムを手に入れたと考えられる。
GA2ox 遺伝子の発現レベルは, 環境変化や植物ホルモンに応じて変化する。イネでは低温の場合, GA2ox 遺伝子の転写を活性化することで GA の不活性化を促進し, 種子の発芽を抑制する（Wang et al. 2018）。シロイヌナズナの GA2ox7 は, 塩濃度が高い場合発現が上昇し, 活
性 GA のレベルが低下する（Magome et al. 2008）。また, GA 代謝酵素は外部からの GA3 処理
によって有意に発現が上昇する一方, 生合成酵素の発現は GA によって低下し, GA 生合成阻害剤であるウニコナゾールによって上昇する事が知られており（Thomas et al. 1999）, 植物はGA のレベルを負のフィードバックまたは正のフィードフォワード機構により厳密に制御し,様々な環境条件への適応をはかっている。しかし最近, 我々のグループはイネの C19 型のOsGA2ox3 の X 線結晶構造を決定し, タンパクレベルでも GA の恒常性を維持するためのア
ロステリックなフィードフォワード機構がある事を見出したので 4 項で紹介する。

３−３．GA 受容生合成酵素と代謝酵素の構造と進化
GID1 の構造解析結果から, 真性シダ以降 GID1 受容体の GA 選択性が進化の中で良く保存されていることがわかってきた（Ueguchi-(A)

Tanaka et al. 2010; Tanaka et al. 2014）。そのため,

OsGA2ox3

OsGA3ox2

GA4 GA4 GA4GA 応答の多様性をシグナル伝達だけで説明することが難しいことも示していた。では, 植物は
disulfied bond

どのようにして GA 応答の多様性を生み出してGA9きたのだろうか。GA3ox はシダ植物の時代に,
C19-GA2ox は裸子植物と被子植物の分岐前に,
C20-GA2ox は被子植物の初期に, それぞれ異なるグループとして独立に誕生した（Takehara et

GA4

GA4

GA4

(B)

OsGA3ox2

al. 2020; Yoshida et al. 2020）。このことから,
GID1-GA-DELLA システムがシダの時代に確立

2OG (GA3ox2)

された以降も, 生合成と代謝系が競い合うように

2OG(GA2ox3)

複雑・多様化したことが示唆される。最近, 我々

GA4

GA9

OsGA2ox3のグループはイネの GA 生合成酵素 OsGA3ox2
ならびに代謝酵素 OsGA2ox3 について, 初めて X
線結晶構造解析に成功した (Takehara et al. 2020;

図2 GA⽣合成及び代謝酵素の構造⽐較(A) OsGA2ox3とOsGA3ox2の全体構造。
(B) 活性中⼼の構造⽐較。

Kawai et al. 2022。全体構造は両酵素で似ていたが, OsGA3ox2 は単量体であったのに対して,
OsGA2ox3 は 4 量体を形成していた（図 2A）。また, 活性中心の構造に着目すると, 補基質である 2-オキソグルタル酸と結合するアミノ酸は良く保存されていたが, 興味深いことに, 基質
である GA （GA3ox2 の場合 GA9, GA2ox3 の場合 GA4）は上下反対向きに結合しており, そS. Takehara - 4
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れぞれ全く異なるわずか数個のアミノ酸が結合している事が分かった（図 2B）。一方, GID1受容体の GA 認識には, 受容体−リガンド結合ポケット周りの 20 個ほどの数多くのアミノ酸が関わっている (Shimada et al. 2008; Yoshida et al. 2018) 。GA 応答の多様性に関してこれらのことを考え合わせると, GID1 受容体に比べ GA3ox や GA2ox の基質認識部位における変化によって対応するほうがはるかに易しいという, 今までの進化の知見に沿った結果であった。

４．植物ホルモン代謝酵素による活性調節機構
最近筆者らは, まだ不明な点が多い植物ホルモン代謝酵素の翻訳後調節について, そのアロ
ステリック制御と恒常性の観点から研究を行った。イネの GA 代謝酵素の中でも茎で主に発現する OsGA2ox3 を用いて X 線結晶構造解析を行なった結果, 前述のように全体構造は 4 量体を形成しており, 基質である GA4 がサブユニット分子界面で架橋することにより多量体を形成していることが明らかとなった（Takehara et al. 2020）。さらに, この基質を介した多量体化は基質濃度の増加とともに徐々に進行し, それに伴い酵素活性がシグモイダルに上昇した。この構造変化と活性の増大は, モノーらによって提案されたモデル（Monod et al. 1965）に示されているように, アロステリック制御イベントの典型的なものであった。
さらに, 代謝酵素の詳細な代謝メカニズムを検討するため, 分子動力学 （MD）シミュレー
ションによる蛋白質のダイナミクスを解析した。MD シミュレーションは, X 線結晶構造解析
だけでは捉える事ができない動的過程を原子・分子の動きをコンピュータの中で再現することができる。最近では, 生体試料の構造を三次元でそのまま観察出来るクライオ電子顕微鏡などによっても, 溶液中で動いている生体分子を観察することが可能となってきている。今回の MD シミュレーションにより, OsGA2ox3 には基質 GA4 が活性部位とサブユニット界面を行き来するルートがあり, 活性中心を覆うフタのようなβ−シート（gate と表記）が大きな構造変化を起こすことを見出した。このgate は GA が活性中心にローディングするに従って開き, GA が完全に活性中心に入ると閉じる動きをする事も明らかとなった。さらに, この動的なシステムの本質に迫った結果, GA4 が低濃度の場
合, 酵素はモノマーまたはプロトマー（モノーが定義した用語）として存在
し, 定常状態の活性を示している（Monod et al. 1965） 。一方, 基質濃度が上昇すると, 酵素は基質（エフェクター）の助けを借りて徐々に多量体を形成し, 活性ポケットの入り口付近に次の反応に必要な基質を待機させ, gate の開閉や安定化によって酵素活性が上昇することで GA の積極的な代謝が行われ

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るという, ホルモンの恒常性を維持するための巧妙なシステムが存在する事が示唆された（図 3）。また, このようなアロステリックな反応性の変化には, C19-GA2ox および C20GA2ox すべてで保存されている Lys 残基（OsGA2ox3 における K308）が必須であることも明らかとなり, 実際, C20-GA2ox である OsGA2ox6 について調べても GA 依存的な多量体形成を示した。
さらに, 同じ 2ODD グループであるオーキシン不活性化酵素 OsDAO に着目した。細胞内のオーキシンの濃度は GA と同様に生合成や代謝が協調して行われ, 厳密に制御されている。この OsDAO は, OsGA2ox3 において活性上昇に寄与する K308 にあたるアミノ酸が同じ塩基性
アミノ酸 Arg である事から, まず, GA 代謝酵素と同様の代謝メカニズムがあるのかどうかを調べるため X 線結晶構造解析を行った。その結果, OsDAO は基質である IAA がサブユニット
分 子界 面で 架橋 する こと によ り 2 量体 を形成 して いる 事を 見出 した 。驚 くべ き事 に
OsGA2ox3 と同様に基質レベルに基づいて単量体-多量体スイッチングが起こり,その立体構
造変化が活性上昇を引き起こしたことから, これらの代謝酵素には植物ホルモンの恒常性を維持する共通のシステムが存在することが示唆された。また, この DAO について Zhang らは,
AtDAO1（シロイヌナズナの DAO の一つ）による IAA の不活性化は, IAA にアミノ酸を結合させて不活性化体に変換する酵素である GH3.6 よりも 10,000 倍以上低いことを報告している（Zhang and Peer 2017）。実際我々の結果は, 高濃度の IAA の下において, OsDAO の二量体での活性が GH3.6 の 4 分の 1 程度であった。これは, DAO による IAA 不活性化システムの生物学的な意味合いについて, さらなる洞察を与えてくれた。つまり, GH3 遺伝子は, 植物が被るさ
まざまな環境変化に対する緊急応答システムとして機能し, 外因性の IAA や環境刺激に応答するために最も早く反応する（Zhang and Peer 2017; Mellor et al. 2016）一方, DAO による不活性化システムは, 主に内在的な生物学的イベントに関与している可能性があり, 基質のレベルに応じて分子内のメカニズムによって活性を調節することができることを示唆している。したがって, DAO は非常にゆっくりとした速度で, IAA 量を調節しているように思われる。このような効果的な二重の不活性化システムは, 連続的に変動する多様な環境条件にさらされる植物にとって, 重要であると考えられる。興味深いことに, このような二重の不活性化システ
ムは GA による制御においては観察されず, GA が制御する生物学的事象には迅速な不活性化が必須ではない可能性が示唆された。

５．おわりにGA の生合成と代謝との関係や受容体は, 発生や環境に応じて GA 濃度を調節するメカニズ
ムを考察する上で大きな関連性がある。今回明らかとなった GA ならびにオーキシン代謝酵素によるタンパク質レベルでの巧みな恒常性を維持するシステムが, 被子植物の発生過程において同じメカニズムで作られたことは, これらの成長ホルモンを効果的に制御することが植物の様々な環境条件への適応に重要であることを示唆している。その結果として, このエ
レガントなシステムは間違いなく植物の生存を助け, 変動する厳しい環境に対してより良い適応能をもたらしたといえる。しかし, 植物ホルモンレベルを制御する分子機構は, 様々なフィードバック及びフィードフォワード機構を含む複雑な制御ネットワークによるため, 未だ

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不明な点も多い。今後, 植物ホルモンの生合成, 代謝, さらにはその局在化と移動などを合わせて理解する事で植物ホルモン制御の解明につながることが期待される。

謝辞
本稿で紹介した研究成果は, 名古屋大学の上口（田中）美弥子教授のご指導のもと, 量子科学技術研究開発機構の桜庭俊研究員, 京都大学生存圏研究所森林代謝機能化学研究分野の三上文三特任教授との共同研究により行ったものである。また, これらの研究は，新学術領域
研究（16H06464, 16H06468）, 科研費（16H0490）の支援を受けて実施した。

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ジャスモン酸関連転写因子活性の化学制御の試み
高岡洋輔 1, 上田実 1,2

1

東北大学大学院理学研究科化学専攻
2
東北大学大学院生命科学研究科〒980-8578 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 6-3Challenges to chemical regulation ofjasmonate-related transcription factors
Yousuke Takaoka1, Minoru Ueda1, 2
1

2

Department of Chemistry, Graduate School of Science, Tohoku University
Department of Molecular and Chemical Life Sciences, Graduate School of Life Sciences,
Tohoku University
6-3 Aramaki-Aza Aoba, Aoba-ku, Sendai, Miyagi, 980-8578, Japan
Keywords: Jasmonate, Plant hormone, Protein-protein interaction, Transcription factor
DOI: 10.24480/bsj-review.13b4.00227

１．はじめに
１−１．ジャスモン酸
植物が腐生菌による感染を受けたり害虫にかじられたりすると，植物ホルモンであるジャスモン酸（JA）を合成し，様々な防御応答を引き起こす（Wasternack 2007; Wasternack and Hause
2013）。多くの植物ホルモンにも見られるように，この JA 応答には様々な転写因子が関与していることが知られている。ジャスモン酸は最終的に，イソロイシンと縮合されることで生成するジャスモン酸イソロイシン（JA-Ile）が活性本体として働き(Fonseca et al. 2009)，ユビキ
チンリガーゼの構成要素である F-box タンパク質 CORONATINE INSENSITIVE 1（COI1）と，
転写リプレッサータンパク質である JASMONATE-ZIM-domain（JAZ）との間のタンパク質間相互作用（PPI）を誘起することで，JAZ のユビキチン化による 26S プロテアソーム系での分解を促す。JAZ は定常状態で様々な転写因子を抑制しており，JA-Ile 依存的な JAZ タンパク質の分解に応じて，これらの転写因子が同時に活性化され，その下流の遺伝子群の発現を促すとされる（図 1）（Wasternack and Kombrink 2010）。これにより上記の防御応答として，病原菌や害虫に対する忌避物質である毒性タンパク質の発現や，抗がん活性をもつ様々な二次代謝産物の生合成を一挙に引き起こす。その一方で，ジャスモン酸は生長抑制作用や老化を促すことも知られており，このジャスモン酸が引き起こす活性の「生長と防御のトレードオ
フ」の関係は，未だその制御メカニズムに不明な点が残されている。

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図 1. ジャスモン酸シグナル伝達機構の全体図: JA-Ile が COI1-JAZ の PPI を誘起すること
で JAZ が分解され，JAZ により抑制されていた転写因子が JA 応答遺伝子の転写を促す。

１−２．ジャスモン酸関連転写因子の化学制御
この JA シグナル伝達経路を構成するタンパク質として，モデル植物シロイヌナズにおいて COI1 は 1 種類だが，JAZ リプレッサーには 13 種類のサブタイプが，JAZと直接相互作用する転写因子にはさらに多くの種類の遺伝子群がコードされている（図 2）（Chini et al. 2016）。
さらにこれらの転写調節因子（JAZ リプレッサー及び転写因子）は，遺伝的重複性が高いだけでなく，各々がクロストークしたりすることで解析が困難となっている。
このような場合，特定のタンパク質に対する選択的なケ
ミカルツールが有効であると考えられる。例えば我々は
最近，13 種の COI1-JAZ 共受容体のうち 2 種類のサブタ
イプ JAZ9 及び 10 に選択的に結合する小分子リガンド

図 2. ジャスモン酸シグナルにおけを開発した（Takaoka et al. 2018）。この分子は，生長抑る JAZ と転写因子の複雑性: シロ

制作用は弱い一方で，病原菌耐性応答を選択的に誘導すイヌナズナでは１種類の SCFCOI1 にることが明らかとなった。またこれをケミカルツールと対し，13 種類 JAZ と複数の転写因して用いることで，この応答に JAZ9 が関与しているこ子が複雑にシグナルを制御する。

となどが示された。JAZ サブタイプは遺伝的重複性が高く，jaz9 ノックアウト株ではこのような表現型を示さないが，ケミカルツールであれば複数あるジャスモン酸応答のうち，選択的な応答を引き起こせることを示している。
我々はこのような背景のもと，JA 応答に関わる転写因子の活性化メカニズムの解析（2 章），
並びに化学的に JA 関連転写因子を制御する方法論の開発（3 章）に着手した。以下に詳細を述べる。

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２．ジャスモン酸関連転写因子の活性化機構の解析
２−１．JA 主要転写因子 MYC の抑制と活性化
再びジャスモン酸シグナル伝達の全体図に話を戻す。近年，複数のグループからジャスモ
ン酸シグナルに関連するタンパク質の構造解析が相次いで報告されている。まず JAZ の C 末
端領域に存在する保存度の高い Jas motif が COI1 結合サイトとして同定され，この Jas motif
を用いて COI1-JA-Ile との三者複合体の構造解析が達成された（Sheard et al. 2010）。この時，Jas motif の N 末端側はランダムループ構造を形成して JA-Ile と直接相互作用し，C 末端側は
-ヘリックス構造を形成することが明らかとなった（図 3a）。一方 2015

年に発表された JAZと MYC との結晶構造解析から，JAZ は同じ Jas motif を用いて MYC と結合するが，その構造は劇的に変化し，Jas motif 全体が-ヘリックス構造を形成していた（図 3b）（Zhang et al. 2015）。
つまり，定常状態では-ヘリックス構造によって MYC と結合しその活性を抑制する JAZが，ジャスモン酸の生合成によって JA-Ile が産生されると，その結合ドメインの N 末端側の構造をランダムループ構造に変化させて，COI1-JA-Ileと結合するという興味深い構造スイッチが起こることが示された。
一方，JA 応答が活性化されると，JAZ10 の Jas motif が一部もしくは完全に欠損したスプ
ライスバリアント JAZ10.3，JAZ10.4 が発現するという興味深い現象が報告された。詳細に解析された結果，JAZ10 には C 末端付近の Jas motif の他に，N 末端領域に MYC と強力に結合するドメイン：Cryptic MYC-interacting domain（CMID）が存在し，これが転写因子を抑制する機能があることが明らかとなった（Chung and Howe 2009; Moreno et al. 2013; Zhang et al.
2017）。すなわち，スプライスバリアント JAZ10.4 は，Jas motif を持たないことで JA-Ile 存在
下でもCOI1 と結合することができず，ユビキチン化とそれに続くタンパク質分解を受けることがないが，MYC を抑制する機能のみを有することになり，これがシグナル活性化状態の後期で発現してくることで，ジャスモン酸応答を沈静化するとされている。

図 3. JA シグナル伝達における各タンパク質の構造解析結果 (a: JA-Ile 共受容体 COI1-JAZ1Jas(PDB ID: 3OGL)，b: 転写因子 MYC3 と JAZ9Jas (PDB-ID: 4RS9)，c: 転写因子 MYC3 と JAZ10CMID(PDB ID: 5T0F))
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植物科学最前線 13:74 (2022)

２−２．MYC と MED25 間のタンパク質間相互作用解析
JA 応答のうち，定常状態における転写因子 MYC-JAZ 間のタンパク質間相互作用（PPI），
JA-Ile 産生によって誘導される COI1-JA-Ile-JAZ 三者複合体構造，及び JA 応答の再抑制化に関わる MYC-CMID 間 PPI については構造が解かれたが，JA 応答の活性化状態については構造的知見に乏しかった。具体的には，JA-Ile 存在下で JAZ が分解されることによって，MYCの空いた結合サイト（JID ドメインと TAD ドメイン）に転写メディエーターである MED25が結合し，これに続いてヒストンアセチルトランスフェラーゼ（HAC I），RNA 合成酵素（PollII）などがリクルートされ，転写開始前複合体（transcriptional pre-initiation complex, PIC）と呼ばれる複合体が形成されることで，MYC 下流遺伝子の発現が引き起こされる（An et al. 2017;
Cevik et al. 2012; Zhang et al. 2015）。ここで，MYC と MED25 との結合には MED25 の C 末端側にある ACID 領域（activator interaction domain，551-680 番目のアミノ酸）と呼ばれる比較的大きなドメインが結合サイトとして同定されていたものの，詳細は不明であった。そこで我々は，MYC と MED25 との相互作用様式について考察を加えるため，それぞれのアラニン変異体を調整してこの PPI を詳細に解析した。それぞれのタンパク質は，様々なタンパク質の効率的調整法として有用な，愛媛大澤崎らが確立したコムギ胚芽由来無細胞翻訳系を用いた（Sawasaki et al. 2002）。構造的知見の豊富な JA 主要転写因子 MYC3 に FLAG タグを導入した FLAG-MYC3 と，GST タグ及びビオチン修飾サイトを導入した MED25（GST-Bls-MED25）について発現を行ない，PPI を高感度かつハイスループットに検出可能な AlphaScreen を利用して MYC3-MED25 間の相互作用を評価した結果，MYC3-MED25 間の相互作用に重要な複数のアミノ酸を同定できた。
またこの相互作用は，
MYC3-JAZ 間の相互作用よりも，MYC3-CMID
間に見られる相互作用様式に近しいことが示唆されたことから，MYC3 に対する MED25 の結合ドメインを CMID-like MYC-interacting domain（CMIDM）と名付けた（Takaoka et al. 2022）。
これにより，MYC3 に対する JAZ 及び MED25 の結合サイトが同定されたので，それぞれに
対し蛍光色素を修飾したペプチド群（JAZ9Jas，JAZ10CMID，及び MED25CMIDM）を別途用意し，それぞれの結合親和性を蛍光異方性によって定量的に解析した。その結果，親和性の序列は
MYC3-JAZ9Jas ， MYC3MED25CMIDM ， MYC3JAZ10CMID の順で強くなることが示された（図4）。この結果は，シグナル伝達が進むにつれて機能するタンパク質の序列に沿って結合が強くなっていることを意味し，このシグナル伝達経路が効率的に進行することを再認識さ

図 4. MYC3 と JAZ9Jas，MED25CMIDM，JAZ10CMID および COI1 とせる結果であった。

JAZ9Jas 間の結合定数の比較。
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３．ジャスモン酸関連転写因子に対するペプチド型阻害剤の開発
我々はジャスモン酸関連転写因子に対するケミカルツールを開発すべく，主要転写因子
MYC3 と JAZ9Jas との相互作用に着目した。前述の通り，JAZ の Jas motif は MYC3 と結合する際は全体が-ヘリックス構造を形成するが，COI1 と結合する時には一部をランダムループ構造に変形する。すなわち，Jas motif を基に，MYC3 との結合フォームに構造を規定すれば，シグナル伝達の上流である COI1 には結合せず，さまざまな応答を制御する転写因子に対す
る選択的なケミカルツールが創出できると期待される。さらには，Jas motif は MED25 との結合を阻害することで MYC の転写活性を抑制しているので，このケミカルツールは MYC に対する転写阻害剤になる可能性が高い。このような発想のもと，-ヘリックス構造に規定するペプチドのステープル化技術を用いて，MYC 阻害剤の開発に着手した。

３−１．分子設計と合成
G. Verdine らが 2000 年ごろに開発したペプチドのステープル化技術は，タンパク質間相互作用を制御するペプチド型阻害剤として，臨床応用が期待される薬剤開発技術の一つである（Schafmeister et al. 2000）。具体的には，剛直な炭化水素の末端に二重結合を配した非天然ア
ミノ酸を，-ヘリックスの螺旋上の同じ向きに配置するように導入したペプチドを固相合成により調整し，Grubbs らが開発したルテニウム触媒を用いて，二重結合同士を連結するオレフィンメタセシス反応でこの非天然アミノ酸を連結することで，ペプチドが共有結合で-ヘリックス構造にステープル（ホチキス留め）される。このステープル部分は立体障害になりうるため，MYC3-JAZ9Jas 間の相互作用を邪魔しないように，結合面とは反対の位置に向くよ
うに末端オレフィン型の非天然アミノ酸を導入したペプチドを，Fmoc 固相合成によって調整した（図 5a）。JAZ9Jas は計 4 箇所の螺旋構造を有するため，最大 2 箇所をステープルすることができる。そこで，COI1 との結合時にランダムループ構造に変形する N 端側（St1），常に-ヘリックス構造を形成する C 端側（St2），及び両方を同時にステープル化するペプチド（St3）をそれぞれ用意し，ステープル化しない野生型ペプチド（Wt）とともに，MYC3 との結合評価に用いた（図 5b）。なお，これらが溶液中で-ヘリックス構造を形成しているかを
CD スペクトルで確認した結果，予想通りステープル化の頻度に応じて-ヘリックス含量が向上した。一方，全くステープル化しない野生型ペプチドはほぼ完全なランダムループ構造であることから，Jas motif は天然変性領域であり，結合相手に応じて二次構造を巧みに変形させることが強く示唆された（Suzuki et al. 2021）。

３−２．試験官内での転写因子への阻害能と選択性合成したステープルペプチドについて，結晶構造が取られている MYC3 との結合親和性を
蛍光異方性によって確認したところ，野生型ペプチド（Wt）の結合が約 5 M の Kd 値であるのに対し，1 箇所ステープル化した St1 および St2 は約 10 倍，2 箇所ステープル化した St3 ペ
プチドは約 50 倍と親和性が向上し，Kd 値にして約 100 nM であることが明らかとなった（図5c）。また，MYC3 のアイソフォームである MYC2, 4 に対してもその傾向が見られ，これらのタンパク質に対しても JAZ の Jas motif は-ヘリックス構造で結合していることが強く示唆

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植物科学最前線 13:76 (2022)された。一方，同様に蛍光異方性を用いて COI1-JA-Ile に対する結合を確認したところ，N 端
側をステープル化した二種類のペプチドは全く結合しないことが明らかとなった。つまり設計通り，MYC との結合フォームに構造を規定することで，シグナル伝達上流の COI1 には結合せず，下流の MYC 選択的に結合するケミカルツールとなることが期待された。

図 5. (a) MYC3-JAZ9 の結晶構造 (PDB ID: 4RS9)と，(b) 合成したステープルペプチド。(c) 各種ペプチドとタンパク質との結合親和性（ND: シグナル変化が小さく解析不可）。

３−３．植物個体内での阻害能評価
COI1 には結合せず，JA 主要転写因子である MYC ファミリーに選択的に結合するステー
プルペプチドが開発できたので，次に植物個体での機能評価を行なった。ダブルステープル化した St3 ペプチドは，MYC が活性化される際に形成される MYC-MED25 との相互作用をも阻害することで，MYC の下流で起こる遺伝子発現を抑制することが期待される。そこで，
シロイヌナズナ幼植物に対してジャスモン酸前駆体であるメチルジャスモン酸（MeJA）を投与して起こる MYC 下流のジャスモン酸応答マーカー遺伝子の転写活性化を，本ステープル
ペプチドが抑制するかどうかを，リアルタイム PCR で解析を行なった。具体的には MYC2 それ自体やジャスモン酸生合成遺伝子の一つである AOS，
虫害耐性遺伝子 VSP2 などが MeJA 添加によって活性化されるのに対し，St3 ペプチドを MeJA と同時投与したところ，その転写活性化が有意に抑制された（図 6b）。すなわち，本ステープルペプチドは植物個体内に浸透し，
MYC の転写活性化を阻害できることが示された（Suzuki et al.
2021）。本成果は，ステープル
ペプチドが植物個体内で機能することを実証した初の例であり，今後様々な機能性ペプチ
ドの植物科学での展開が期待される。

図 6. ステープルペプチドの植物への投与のイメージ図。

Y. Takaoka & M Ueda - 6
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４．おわりに
植物防御応答に関連するジャスモン酸シグナル伝達の最新の知見と，それに基づいて設計・開発したステープルペプチドによるジャスモン酸シグナルの転写制御の試みについて述
べた。ジャスモン酸に限らず，植物ホルモンの多くは，低濃度でも植物全体の転写ネットワークを巧みに調節することで，植物のライフサイクルにおける重要な多くのイベントを制御する。その過程では，多種類の転写因子が複雑にタンパク質間相互作用を引き起こすことが明らかになりつつあり，そのタンパク質間相互作用を制御するペプチド型ケミカルツールは今後ますます注目を集めるものと期待される。今後我々も，これらに関連する転写因子の中で選択的に狙った遺伝子のみを時空間的に制御する方法論の開発を目指して，検討を続ける。

謝辞
本研究を遂行するにあたり，愛媛大学 澤崎達也教授，野澤彰准教授，高橋宏隆准教授に，
タンパク質無細胞翻訳系や AlphaScreen 解析技術などについて有益なご助言を多数いただいた。また本稿で紹介した研究は，日本学術振興会・科学研究費補助金（17H06407，18KK0162，
20H00402，19H05283，21H00270）および武田ライフサイエンス研究助成による支援を受けて行なったものである。この場を借りて感謝申し上げる。

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Y. Takaoka & M Ueda - 8
BSJ-Review 13:78 (2022)

植物科学最前線 13:79 (2022)

多様な骨格を持つストリゴラクトンの生合成経路
米山香織
愛媛大学農学研究科〒790-8566 愛媛県松山市樽味 3-5-7

Biosynthetic pathway of structurally diverse strigolactones
Kaori Yoneyama
Graduate School of Agriculture, Ehime University,
3-5-7 Tarumi, Matsuyama, Ehime, 790-8566, Japan
Keywords: plant hormone, root parasitic plant, strigolactone
DOI: 10.24480/bsj-review.13b5.00228
１．はじめにストリゴラクトンは, 1966 年, アメリカの USDA のグループによって，根寄生雑草 Striga の発芽を誘導する発芽刺激物質としてワタの根浸出液から単離構造決定された (Cook et al.
1966)。植物が寄生されるリスクを冒してまで発芽刺激物質ストリゴラクトンを分泌する理由
は長い間不明であったが, 2005 年に大阪府立大学の秋山らは, ミヤコグサの根浸出液から, 絶対共生菌であるアーバスキュラー菌根（AM）菌の菌糸分岐誘導物質としてストリゴラクトンを単離し (Akiyama et al. 2005), ストリゴラクトンの根圏シグナルとしての重要性が明らかとなった。AM 菌は, 宿主植物の根の近傍でのみ菌糸を激しく分岐させ, 共生の準備を整える。
すなわち植物は, 菌糸分岐誘導物質であるストリゴラクトンを, AM 菌の宿主認識シグナルとして分泌していると考えられるようになった。一方, 同じ年にオランダのグループは, ストリ
ゴラクトンと ABA の構造類似性から, ストリゴラクトンは ABA と同様にプラスチドのカロ
テノイドから生合成されるという仮説を建て, カロテノイド生合成阻害剤やカロテノイド生
合成変異体を用いた実験から, 仮説の正当性を示した (Matsusova et al. 2005) 。また, ホワイ
トルーピンやシロイヌナズナなどのような AM 共生しない植物も, ストリゴラクトンを生産していることが明らかとなり, ストリゴラクトンの新しい機能の存在が示唆された(Goldwasser et al. 2008; Yoneyama et al. 2008)。そして 2008 年, 過剰な地上部枝分かれの表現型が見られる変異体を用いた実験により, ストリゴラクトンは植物の地上部枝分かれを抑制する新奇植物ホルモンであることが 2 つのグループから同時に報告された (Gomez-Roldan et al.
2008; Umehara et al. 2008)。その後, ストリゴラクトン欠損変異体と合成ストリゴラクトン（GR24）を利用した実験により, 地上部だけでなく地下部の形態形成制御に, AM 菌だけでな
く根粒菌共生に, ストリゴラクトンが関与していることが次々に報告された（図 1）。

K. Yoneyama - 1
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植物科学最前線 13:80 (2022)

AMAM

図 1 植物成長におけるストリゴラクトンの機能
青の矢印は促進, 黒のバーは抑制を示している。エンドウ, シロイヌナズナ, イネのストリゴラクト
ン生合成・受容シグナル伝達欠損変異体の表現型や, 合成ストリゴラクトンを与えることによる表
現型の回復を詳細に調べることにより, これらの機能は明らかにされてきた (Yoneyama. 2019)。

２．ストリゴラクトンの基本骨格
ストリゴラクトンは, 現在, その構造の違いから, 典型的ストリゴラクトンと非典型的ス
トリゴラクトンとに大別されている（図 2）。すなわち, 根寄生雑草 Striga の発芽刺激物質として単離構造決定された strigol の様に, ６あるいは７員環（A 環）と５員環（B 環）, ラクトン（C 環）から構成される３環性ラクトンとメチルフラノン（D 環）がエノールエーテル結合した構造を持つものが, 典型的ストリゴラクトンと呼ばれ, 一方, 完全な３環性ラクトンを持たず, D 環とエノールエーテル結合した構造だけを持つものは, 非典型的ストリゴラクトンと呼ばれている。典型的ストリゴラクトンの C 環の立体配置が, 配位 (orobanchol-type) か,配位 (strigol-type)であるかによっても生合成経路は微妙に異なっている（図 3）。
これまでにストリゴラクトンは, 主に根寄生雑草の発芽刺激物質の活性を指標として, 30
種類以上が単離・構造決定されている。また, 少なくとも 10 種類以上の構造未知のストリゴ
ラクトンの存在が示唆されている。そして興味深いことに, 1 つの植物は少なくとも 3 つ以上のストリゴラクトンの混合物を分泌しているが, その理由は不明である(Yoneyama and Brewer.
2021)。
Orobanchol は, 日本にも帰化している根寄生植物 Orobanche minor の発芽刺激物質として,アカクローバーの根浸出液から単離構造決定された (Yokota et al. 1998)。その後, ダイズ, エンドウのようなマメ科植物, マリーゴールド, レタスのようなキク科植物, ナス科のトマト,
単子葉類のイネなどの根浸出液からも同定された (Yoneyama et al. 2008; Umehara et al. 2008;

K. Yoneyama - 2
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Yoneyama et al. 2011)。Orobanchol 同様, ソルガムの根浸出液から単離構造決定された sorgomol(Xie et al. 2008)も, マメ科のレンゲ, キク科のコスモスから同定され, 様々な植物種に広く分布している (Yoneyama et al. 2008; Yoneyama et al. 2011)。一方, タバコの根浸出液から単離構造決定された solanacol (Xie et al. 2007) は, トマトやベンサミアーナタバコとナス科のみでしか確認されておらず, エンドウの根浸出液から単離構造決定された fabacyl acetate (Xie et al.
2009)は, ソラマメのみと, 特定のマメ科でのみしか確認されていない (Trabelsi et al. 2017)。
Zealactone は, トウモロコシの根浸出液から単離構造決定された, ABC 環を持たない非典型的
ストリゴラクトンであるが, イネ, ソルガム, ミレットなどの他のイネ科植物からは検出されていない (Xie et al. 2017)。

O

O

C
A

B

O
OH

O

Strigol

典型的ストリゴラクトン
Orobanchol-type

Strigol-type

O

O

O
D

O

O

O

O

O
O

OH

O

OH

O

O

O

O

O

O

O

O
O

Orobanchol

Solanacol

Fabacyl acetate

Sorgomol

5-Deoxystrigol

ア カ ク ロ ーバー、 ダイ ズ、ト マ ト 、 レ タ ス、 イ ネな ど

タ バコ 、 ト マト 、
ベン サミ ア ーナ

エ ン ド ウ、 ソ ラ マメ

ソ ルガム、
レ ン ゲ、 コ スモ ス など

ワタ 、 ミ ヤコ グサ、
ソ ルガム、 コ スモ ス など

非典型的ストリゴラクトン
H
O

O

O

O

O
HO

O
O

O

O

O

O

O

O

O

O

O
O

O

Zelactone

Heliolactone

Avenaol

ト ウモ ロ コ シ

ヒ マワリ

エ ン バクO

図 2 天然ストリゴラクトンの構造
ストリゴラクトンは, エノールエーテル結合および D 環を共通の骨格としてもつ（strigol の青の線）。この部分は活性に必須な構造である。典型的ストリゴラクトンの C 環の立体配置の違いを赤で示した。
Strigol-type は C 環がβ配位, orobanchol-type はα配位となっている。非典型的ストリゴラクトンの
heliolactone は, ヒマワリの根浸出液から単離構造決定された (Ueno et al. 2014)。BC 環部分は閉環していないが, ストリゴラクトン前駆体である carlactone（図 3）に類似した構造であるのに対し, zealactone やエンバクから単離構造決定された avenaol (Kim et al. 2014)は, その前駆体が予想できないほど自由な構造をしており, 多種多様なストリゴラクトンが潜在的に多数存在することが予想される。

３．ストリゴラクトンの生合成経路
過剰な地上部枝分かれの原因遺伝子が, シロイヌナズナ, エンドウ, イネ, ペチュニアから同定され, それぞれ, MORE AXILLARY GROWTH (MAX), RMOSUS (RMS), DWARF (D),K. Yoneyama - 3
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DECREASED APICAL DOMINANCE (DAD）と名付けられ, 機能解析が行われた。その結果, ス
トリゴラクトンは共通した主要合成経路をもっており, カロテノイド異性化酵素, 2 つのカロ
テノイド酸化開裂酵素の連続的な反応により, カロテノイドから非典型的ストリゴラクトン
である carlactone (CL)が生成される（図 3）。CL は, 大腸菌を用いた in vitro 系により同定されたが (Alder et al. 2012), その後, イネやシロイヌナズナに内生物質として存在することが確認された (Seto et al. 2014)。
シトクロム P450 をコードする CYP711A は, CL から carlactonoic acid (CLA)への変換を触媒する (Abe et al. 2014)。この CL から CLA への変換は, 既述の植物 4 種だけでなく, ソルガム,
トウモロコシ, トマトなどの主要作物, 下等植物のイヌカタヒバ, モデル樹木のポプラのCP711A も全て触媒することが明らかにされており, 植物界に高く保存されていることがわ
かる (Yoneyama et al. 2018)。興味深いことに, 植物種によっては, CYP711A が, CLA からさらに典型的ストリゴラクトンへの変換を触媒する。例えば, シロイヌナズナは, CYP711A1 の 1つしか持っていないが, イネ（Oryza sativa）は 5 つの CYP711A を持っている。そのうちの 1
つ, CYP711A2 は, CL をイネの主要なストリゴラクトンの１つである 4-deoxyorobanchol (4DO)へと変換する (Zhang et al. 2014)。さらにもう１つの CYP711A3 は, 4DO を orobanchol へと変換する (Zhang et al. 2014)。CYP711A の機能を調べた植物種の中で, 4DO を生産・分泌する事が確認されている植物の CYP711A は, CL から CLA を経て 4DO を生成する。しかし, orobancholを生産しているが, 4DO を生産していない植物の CYP711A は, 4DO を基質として与えても,イネの CYP711A3 のように orobanchol を生成しない事がわかった。しかし, トウモロコシは,
4DO も orobanchol も生産・分泌する事が確認できないにも関わらず, 3 つの CYP711A のうち,
CYP711A18 が, 4DO から orobanchol へと変換する能力を持っている事がわかった。これらのことから, 植物のストリゴラクトン生産能力は, 本来備わっている特性だけでなく, 基質の有無によっても決定されることが示唆された (Yoneyama et al. 2018)。
最近では, 逆遺伝学的手法により, CLA 以降の合成経路の解明が急激に進んでいる。シロ
イヌナズナでは, メチルトランスフェラーゼにより, CLA から methyl carlactonoate（MeCLA）
ヘ (Wakabayashi et al. 2021b), 2-オキソグルタル酸/鉄依存性ジオキシゲナーゼにより, MeCLAから hydroxymethyl carlactonoate（1’-OH-MeCLA）へと変換される (Yoneyama et al. 2020)。さらに, CYP711A 以外のシトクロム P450 の関与も次々に報告されている。CYP722C は,CYP711A とは全く異なるクレイドに位置するが, ササゲやトマトの CYP722C は, CLA を直接 orobanchol へと変換する事が明らかにされた (Wakabayashi et al. 2019)。一方, ワタの
CYP722C は, CLA から 5-deoxystrigol への変換を触媒した (Wakabayashi et al. 2020)。別のクレイドに位置するソルガムの CYP728B35 は, リン酸欠乏によって発現が上昇することにより選抜され, 5-deoxystrigol から sorgomol への変換に関与する (Wakabayashi et al. 2021a)。さらに,多様なストリゴラクトン生成には, CL の下流だけでなく, カロテノイドか

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植物科学最前線 13:83 (2022)

Figure 2

ら枝分かれした上流も重要であることが示唆されている（Baz et al. 2018, 図 3 のライトブルー背景）。

all-trans-β-carotene
OH

Isomerase(AtD27, D27)
HO

zeaxanthin
Isomerase (D27)9-cis-β-carotene
9-cis-zeaxanthin

CCD7(MAX3, RMS5, DAD3, D17)

CCD7 (D17)O

9-cis-3-hydroxy-β-apo-10'-carotenal
CCD8 (D10)9-cis-β-apo-10'-carotenal
CCD8(MAX4, RMS1, DAD1, D10)

O

HO

O

O

O

O

3-hydroxy-carlactone (3-OH-CL)O

carlactone (CL)CYP711AsHOO

O

VuCYP722C
SlCYP722C

O
O

Os900

O

O

Os1400O

carlactonoic acid (CLA)
Oxidoreductase(LBO)

Methyltransferase(unknown)
O

O

O

O

OH

O

O

orobanchol

4-deoxyorobanchol
O

O

O

O

GaCYP722C

O

O

O

O

O

SbCYP728B35 HO
O

O

O

O

O

O

O

methyl carlactonoate (MeCLA)

sorgomol

5-deoxystrigol

Oxidoreductase
(LBO)
OH
O

O

O

O
O

hydroxymethyl carlactonoate(1'-OH-MeCLA)MAX
RMS
Arabidopsis Pea
Vu:
CowpeaSl:
TomatoDAD
Petunia

D
Rice

Ga:
CottonSb:
Sorghum

図 3 ストリゴラクトンの生合成経路 (Yoneyama and Brewer 2021)

K. Yoneyama - 5
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４．養分条件によるストリゴラクトンの生産・分泌制御
AM 菌と共生する植物において, ストリゴラクトンの生産・分泌量は植物の養分状況に強く依存する。AM 菌による宿主植物への養分供給において, 最も重要視されている養分はリン酸であるが, これまで調べられた AM 菌の宿主植物は, 共通してリン酸欠乏によってストリ
ゴラクトンの生産・分泌が顕著に促進される。一方, ソルガム, トウモロコシ, レタス, マリ
ーゴールドなどは, リン酸欠乏だけでなく窒素欠乏によってもそれぞれのストリゴラクトン
生産・分泌が促進される。しかし, アカクローバー, アルファルファは, 窒素欠乏では促進されない。根粒菌と共生関係を形成するマメ科植物は, AM 菌による窒素供給を期待せず, スト
リゴラクトン分泌が窒素欠乏には応答しない可能性が考えられたが, 同じマメ科のレンゲは,窒素欠乏でもストリゴラクトンの分泌が顕著に促進された。また, 非マメ科のトマトは窒素欠乏には応答しなかった (Yoneyama et al. 2012; Yoneyama. 2019)。このような養分欠乏に対する異なるストリゴラクトン分泌応答の理由は不明のままである。さらに, AM 共生しないマメ科のホワイトルーピンやシロイヌナズナは, 窒素欠乏でもリン酸欠乏でもストリゴラクトンの分泌は促進されない (Yoneyama et al. 2008; Seto et al. 2014)。AM 菌の非宿主植物が養分欠乏によるストリゴラクトン分泌促進が認められないことは合理的であるが, シロイヌナズナでは, 窒素欠乏やリン酸欠乏によって地上部枝分かれ抑制が認められることから (de Jong et al.
2014; Kohlen et al. 2011), 養分欠乏がストリゴラクトン生産に影響を与えている可能性は否定できない。窒素欠乏によって, シロイヌナズナのストリゴラクトン生合成遺伝子の発現が増加するという報告はある(Ito et al. 2016) が, どのストリゴラクトンの内生量が上昇するのかは明らかになっていない。少なくともリン酸欠乏による CL の内生量増加は認められなかった (Seto et al. 2014)。

５．今後の展望多種多様なストリゴラクトンがどのように生合成され, 分泌されるのか, その仕組みを解明することにより, なぜ, 植物は多種多様なストリゴラクトンを生産・分泌するのか, その理
由解明につながることが期待される。

謝辞
シンポジウムの企画に際しては, オーガナイザーとして瀬尾光範博士（理化学研究所）と岡本昌憲博士（宇都宮大学）にご尽力頂きました。感謝申し上げます。
本研究は, JST さきがけ（JPMJPR17QA）および科研費（15J40043, 16K18560）の助成を受けたものです。

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生理活性物質の膜輸送を介した作用メカニズム渡邊

俊介 1, 清水崇史 2, 瀬尾

光範 3

1

Biochemistry and Plant Molecular Physiology Research Unit, UMR INRAE CNRS SupAgro
2 Place Pierre Viala, 34060 Montpellier cedex 02, France2
奈良先端科学技術大学院大学 先端科学技術科〒630-0192 奈良県生駒市高山町 8916-53
理化学研究所 環境資源科学研究センター〒230-0045 神奈川県横浜市鶴見区末広町 1-7-22

Mode of action of bioactive molecules through transmembrane transport
Shunsuke Watanabe1, Takafumi Shimizu2, Mitsunori Seo3
1

Biochemistry and Plant Molecular Physiology Research Unit, UMR INRAE CNRS SupAgro
2 Place Pierre Viala, 34060 Montpellier cedex 02, France
2
Graduate School of Science and Technology, Nara Institute of Science and Technology
8916-5 Takayama, Ikoma, Nara, 630-0192, Japan
3
IKEN Center for Sustainable Resource Science
1-7-22 Suehiro-cho, Tsurumi-ku, Yokohama, Kanagawa, 230-0045, Japan
Keywords: abscisic acid (ABA), auxin, indole-3-butyric acid (IBA), NPF, plant hormones
DOI: 10.24480/bsj-review.13b6.00229

１．はじめに生体内で作り出される多種多様な化合物は，自身や他の生物の生命活動に様々な形で用いられている。いずれの場合にも，細胞もしくは細胞内小器官の内外を仕切る生体膜を介した化合物の移動を必要とする場合が多い。化合物の膜輸送を司る因子，すなわち「輸送体」に関する研究は精力的に進められているが，生体内に存在すると考えられる化合物の数，もしくはゲノム情報から推測される輸送体タンパク質の数に比べ，機能（輸送基質）が明らかにされている輸送体の数は圧倒的に少ない。
私たちは，植物ホルモンに代表される低分子生理活性物質に着目し，その輸送体の同定に取り組んでいる。ダーウィンの実験でもよく知られているように，オーキシン（indole-3-acetic
acid; IAA） は植物体内を極性輸送される。1990 年代頃からオーキシンの輸送に欠陥を持つ変異体が形態異常や，外生オーキシンに対する感受性を指標として数多く単離され，その解析を通して現在までに PIN，AUX，ABC 型に分類される複数の輸送体によってオーキシンの輸送が複雑に制御されている様子が明らかになってきている（Benjamins and Scheres 2008;
Petrasek and Friml 2009; Grones and Friml 2015; Anfang and Shani 2021）。これに対し，他の植物ホルモンに関しては同位体ラベルした化合物の投与や接木実験などから植物体内を輸送される事が示唆されているものもあるが，その制御機構については不明な点が多い。この様な状
況の中，私たちは NPF と呼ばれるタンパク質ファミリーが複数の植物ホルモンの輸送に関与

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する事をこの 10 年ほどの間に明らかにしてきたので，本稿ではその一部について紹介したい。

２．乾燥に応答した気孔の閉鎖とアブシシン酸（ABA）
ABA の代表的な生理作用の一つとして，気孔の閉鎖誘導が挙げられる。葉の水分含量を変えず，根の一部にのみ乾燥を与えた場合にも気孔の閉鎖が誘導される事，またこの時に道管中の ABA 濃度の上昇が見られる事から「根で合成された ABA が道管を通して地上部に運ばれて気孔の閉鎖を誘導する」という考えが長い間受け入れられてきた（Davies and Zhang 1991;
Jiang and Hartung 2008; Schachtman and Goodger 2008; Christmann et al. 2013）。しかしながらその後の ABA 欠損変異体を用いた接木実験などでは, 気孔の閉鎖は地上部の ABA 生合成能力に大きく依存するという報告が多数なされている（Holbrook et al. 2002; Christmann et al. 2007;
McAdam et al. 2016）。さらに，シロイヌナズナにおいて ABA 生合成の鍵酵素である NCED3とそれに続く細胞質内での ABA 生合成最終段階の反応を触媒する ABA2, AAO3 といった酵
素が葉の維管束周辺の細胞に多く分布している事などから（Endo et al. 2008; Kuomori et al.
2014），乾燥に応答して ABA が主に葉の維管束組織で合成されると考えられるようになっている。実際に，シロイヌナズナ ABA 欠損変異体 aba2 において正常な ABA2 遺伝子を維管束組織（師部伴細胞）特異的に発現させる事により，その表現型が回復する事が確認されている（Merilo et al. 2018）。これらの事は，維管束組織で合成された ABA が孔辺細胞へと輸送され，気孔の閉鎖を誘導する事を示唆している。

３．ABA 輸送体
孔辺細胞は，原形質連結（プラスモデスマータ）を持たない。また，ABA 受容体は細胞膜上に存在する可能性も考えられていたが，現在では細胞質もしくは核内で機能する可溶性タンパク質である PYR1/PYL/RCAR が主要な ABA 受容体である事が明らかになっている（Rodriguez et al. 2019）。そのため，維管束周辺の細胞で合成された ABA が受容体に認識され気孔の閉鎖を誘導するためには，ABA が一度細胞外に排出され孔辺細胞内に取り込まれるという過程が必要になる。ABA は pKa 値 4.7 の弱酸であり，溶液中では pH に依存してカルボキシル基がイオン化する解離型（COO-）と非解離型（COOH）の 2 つの形態の存在比が変化する。非解離型の ABA は比較的脂溶性が高く，拡散によって細胞膜を通過する事ができる。また，オーキシン輸送体の多くが形態異常やオーキシン低感受性を示す変異体の解析を通して同定されてきたのに対し，ABA の輸送に欠陥を持つ変異体はいわゆる順遺伝学的手法
では単離されてこなかった。これらの事から，ABA の細胞膜を介した移動に能動的な仕組みが必要であるかどうかは長らく不明であった。
この様な状況の中，私たちは ABA の生体膜を介した移動を仲介する因子，すなわち輸送体（トランスポーター）となり得るタンパク質を活性に基づいて網羅的にスクリーニングする
方法を，ABA 受容体 PYR1/PYR/RCAR がリガンド依存的に PP2C タンパク質ホスファターゼと相互作用するという報告（Park et al. 2009）から着想を得て構築した。すなわち，ABA 受容体と PP2C の相互作用を検出する酵母 two-hybrid（Y2H）系を確立し，そこに ABA を細胞内

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植物科学最前線 13:90 (2022)に取り込む輸送体を発現させた場合には，選択培地上での酵母の生存が通常より低濃度のABA 存在下で可能になると期待したのである（図 1）。これに基づいて，シロイヌナズナの
cDNA ライブラリーを用いたランダムなスクリーニングを行った結果，低親和性の硝酸イオ
ン輸送体として知られている NRT1（NITRATE TRANSPORTER 1）タンパク質を含むファミリーメンバー（Tsay et al. 2007; Leran et al. 2014; Corratge-Faillie and Lacombe 2017）のいくつかが，細胞内に ABA を取り込む活性を持つ事を明らかにした（Kanno et al. 2012）。NRT1 が属する輸送体ファミリーは動物の SLC15（Solute Carrier 15）に相当し，シロイヌナズナには 53のメンバーが存在する。その中には，小ペプチド（主にジペプチドとトリペプチド）の輸送
体（PEPTIDE TRANSPORTER; PTR）として機能するタンパク質が存在する事も報告されている（Tsay et al. 2007; Leran et al. 2014; Corratge-Faillie and Lacombe 2017）。私たちは当初 ABA
輸送活性を持つ当該ファミリーメンバーに AIT（ABA-IMPORTING TRANSPORTER）という名前を付けたが，後述する通り同一のタンパク質が複数の化合物を輸送する場合がある事か
ら，基質に基づいた命名は後に混乱を引き起こす事が懸念された。そのため，NRT1 と PTRを含む輸送体ファミリー全体を NRT1/PTR FAMILY（NPF）として系統的に 8 つのサブファ
ミリーに分類し，NPF1.1，NPF1.2，・・・NPF8.1，NPF8.2，・・・という様に統一した呼び方をする事が提案されている（Leran et al. 2014）。私たちが酵母で確認した中では，NPF4.6 がABA に対して比較的高い輸送活性を示した。NPF4.6 は過去の研究で硝酸イオン輸送体としての機能が明らかにされていた NRT1.2（Huang et al. 1999）と同一のタンパク質であるが，ABA に対する Km 値が 0.5~5 μM と比較的低い（Kanno et al. 2012; Leran et al. 2020）（硝酸イオンに対する Km 値は約 5.9 mM）。さらに NPF4.6 の機能を失った変異体（npf4.6）において発芽時の外生 ABA に対する感受性が低下している事，NPF4.6 の過剰発現により発芽時の外生 ABA に対する感受性が高まる事から，NPF4.6 が植物体内で ABA 輸送体として機能し得る事が示された（Kanno et al. 2012）。

図 1. ABA 受容体（PYR）と PP2C タンパク質ホスファターゼの ABA 依存的な相互作用を検出する Y2H 系を用いた輸送体の同定
ここで本題に入る。NPF4.6 は，維管束組織から孔辺細胞への ABA の輸送に関与しているのであろうか？npf4.6 単独変異体においては葉の表面温度に関して野生型との違いが見られないが， ABA の内生量が減少した（完全には欠損しない）aao3 変異体と npf4.6 を掛け合わせた二重変異体においては aao3 単独変異体に比べて葉の表面温度が低下する（Shimizu et al.
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図 2. npf4.6 変異の葉の表面温度に対する影響(A) 発芽後約 1 ヶ月の野生型, npf4.6, aao3, aao3 npf4.6 および aao3 npf4.6 背景で孔辺細胞特異的に正常な NPF4.6 を発現させる形質転換植物（aao3 npf4.6/pMYB60:NPF4.6）。
(B) サーモグラフィーで観察した表面温度。
2021）（図 2）。この事から，NPF4.6 は気孔の閉鎖を促進する働きを持つと考えられる。NPF4.6のゲノム配列の下流に GUS を挿入し，自身のプロモーターで NPF4.6 と GUS の融合タンパク質を発現させる形質転換体（pNPF4.6:gNPF4.6-GUS）において，維管束組織および孔辺細胞でGUS 活性が検出された（Shimizu et al. 2021）（図 3）。NPF4.6 は細胞内に ABA を取り込む活性を持つ事（Kanno et al. 2012），aao3 npf4.6
において気孔の開度が aao3 に比べて高まABる（葉の表面温度が低下する）事（Shimizu
et al. 2021）を考えると，孔辺細胞におけるABA の取り込みが NPF4.6 の主要な働きであると予想された。この事は，aao3 npf4.6 二重変異体背景で，正常な NPF4.6 遺伝子を孔辺細胞特異的な MYB60 プロモーターで発現させると気孔の閉鎖が促進する（葉の表
面温度が高まる）という実験結果（Shimizu
et al. 2021）（図 3）からも支持される。維管束組織で発現している NPF4.6 の生理的な機能については現時点で不明であるが，生合成部位から孔辺細胞へと輸送される

図 3. NPF4.6 タンパク質の局在部位
NPF4.6 プロモーター支配下で NPF4.6と GUS の融合タンパク質を発現させる
形質転換体における GUS 染色。(A) ロ
ゼット葉。(B) 表皮の拡大写真.

ABA 量の制御等に関与している可能性などが考えられる。
前述の通り，輸送活性に強弱はあるものの NPF4.6 以外にも複数の NPF が ABA を基質とす
る（Kanno et al. 2012; Chiba et al. 2015）。そのうちの NPF5.1 に関しては，機能欠失変異体（npf5.1）において葉の表面温度が野生型よりも高い（気孔開度が低い）事が明らかになった
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植物科学最前線 13:92 (2022)（Shimizu et al. 2021）（図 4）。この事は，
NPF5.1 が気孔の閉鎖を負に制御する因子である事を意味している。NPF5.1 は NPF4.6 と同様に，酵母においては細胞内への ABA の取り込みを仲介する（Shimizu et al. 2021）。
NPF5.1 の過剰発現により発芽時の ABA に対する感受性が高まる事からも，NPF5.1 が植物体内で ABA 取り込み輸送体として機能するという事が支持される（Shimizu et al. 2021）。
それでは何故，同じ ABA 取り込み輸送体としての機能を持つ NPF4.6 と NPF5.1 の機能欠失が気孔の開度に関して反対の表現型を示すのであろうか？それはおそらく，二つのタンパク質の機能部位の違いによるものであると考えられる。前述の通り NPF4.6 が孔辺細胞で ABA の取り込みに関与している一方で，NPF5.1 の発現は少なくともプロモーター活性に基づくと葉肉細胞や維管束組織

図 4. 野生型及び npf5.1 の葉の表面温度(A) 発芽後約 1 ヶ月の植物。(B) サー
モグラフィーで観察した表面温度。

など広範囲で見られる（図 5）。これらの事から，NPF5.1 は維管束組織から孔辺細胞へと輸送される ABA を葉肉細胞や維管束組織に取り込む事で気孔の閉鎖を抑制しており，
npf5.1 においては細胞間を通して維管束組織から孔辺細胞へ辿り着く ABA の量が増大する事で気孔が閉鎖すると考えられる（図 6）。
npf4.6 npf5.1 二重変異体と野生型の葉の表面温度が同程度である事（図 2）は，NPF4.6 による孔辺細胞への ABA の取り込みが気孔閉鎖において重要である事を改めて意味して

図 5. NPF5.1 のプロモーター活性NPF5.1 プロモーター支配下で GUS を発現させる形質転換体のロゼット葉におけるGUS 染色。

いる。
長らくその実態が不明であった ABA の輸送メカニズムであるが，ここで紹介した NPF4.6，
NPF5.1 を含め，実に多くの ABA 輸送体が近年になって続々と報告されている（Kuromori etal. 2018; Seo and Marion-Poll 2019; Anfang and Shani 2021）。本稿では主に気孔閉鎖に焦点を当て ABA 輸送の必要性を考えてきたが，これまでに知られている多様な ABA の生理作用と照らし合わせると複数の ABA 輸送体の存在意義がより鮮明になるであろう。

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葉⾁・ 表⽪細胞: ABA

気孔

NPF5.1
野⽣型

NPF4.6
孔辺細胞

維管束組織（ABA作⽤部位）（ABA合成部位）

npf5.1

NPF4.6

図 6. NPF4.6, NPF5.1 の維管束組織から孔辺細胞への ABA 輸送と気孔閉鎖における機能

４．NPF の多様な機能
NPF は古くから知られている硝酸イオン，小ペプチド，そして前述の ABA 以外にも，オーキシン（Krouk et al. 2010），ジベレリン（Saito et al. 2015; David et al. 2016; Tal et al. 2016），
ジャスモン酸（Ishimaru et al. 2017）といった植物ホルモンや，グルコシノレート（Nour Eldin
et al. 2012），アルカロイド（Payne et al. 2017），ニコチアナミン（Chao et al. 2021）等の二次代謝産物を基質とする事が明らかになってきている。ファミリー全体を見渡した場合もそうであるが，興味深い点はある特定の NPF が複数の基質を認識する場合も多々見受けられる事である。
タルウマゴヤシ（Medicago truncatula）の nip/latd は，根粒形成，側根形成，主根伸長等に欠陥を持つ変異体である（Veereshlingam et al. 2004; Bright et al. 2005）。NIP/LATD は硝酸イオンに対して輸送活性を示す NPF タンパク質をコードするが，nip/latd 変異体で同じく硝酸イオンを基質とするシロイヌナズナ NRT1.1/CHL1（NPF6.3）を発現させた場合には主根成長，側根形成が部分的に回復する一方で，根粒形成に関する表現型は相補されない（Bagchi et al.
2012）。この事は，NIP/LATD が硝酸イオン以外に根粒形成に重要な役割を果たす何らかの化合物の輸送体として機能する可能性を示唆している。今後 NPF の機能解析を通して，化合物の新たな働きや新規の生理活性物質・植物ホルモンが発見される事が期待される。

５．インドール酪酸（IBA）の輸送に関わる NPF
シロイヌナズナに存在する 53 の NPF の中には，植物体内での機能が明らかになっていな
いものが多数存在する。さらに前述の通り，ある一つの基質輸送に関する生理的役割が明らかになっている NPF があったとしても，その NPF に他の未知の機能が隠されている可能性

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も考えられる。この様な事から，私たちは NPF の機能を失った変異体の表現型を幅広く観察
している。

A

この過程において，過去に硝酸イオンおよびカリウムイオンを基質とする事が報告されていた NPF7.3（NRT1.5 としても知られる）（Lin et al. 2008; Li et al. 2017）の機能を失った変異体（npf7.3）の根の重力屈性が異常になっている事に気付いた（Watanabe et al.
2020）（図 7）。この表現型は培地中に硝酸
イオンおよびカリウムイオンが高濃度に量含まれている条件においても観察される事から，NPF7.3 の基質となる他の化合物の存

野⽣型

npf7.3B在が示唆された。オーキシンが根の重力屈性に関与している 事がよく知られている 。
NPF7.3 は酵母において主要な内生オーキシ
ンであるインドール酢酸（IAA）に対して優
位な取り込み活性を示したが，IAA は比較的脂溶性が高いために NPF7.3 非存在下でも酵
母細胞内に取り込まれやすく，また NPF4.6
が ABA に対して示した輸送活性ほど NPF7.3の IAA 輸送活性は顕著ではなかった。これ

野⽣型

npf7.3図 7. 野生型, npf7.3 の根の重力屈性(A) 垂直に立てた培地上で npf7.3 の根は波を打ち重力に向かってまっすぐに伸長しにくい. (B) 重力方向を 90 度変化させた場合 npf7.3 の根は重力方向に屈曲しにくい.

に対し，植物の内生化合物であり IAA の前駆体としても知られる IBA は膜透過性が比較的低く，NPF7.3 の基質として IAA よりも効率的に輸送された。npf7.3 で観察される根の重力屈性異常は外生 IAA 処理で回復するが IBA 処理では回復しない。また，npf7.3 においては野生型に比べてオーキシン誘導性
プロモーターである DR5 の活性が低下しており，重力に応答した DR5 活性の偏差分布が起きにくい（図 8）。さらに NPF7.3 の発
現は，IBA の IAA への変換が活発に行われる事が予想されているコルメラ細胞で見られる。これらの事から，npf7.3 では IBA から
IAA への変換が行われる細胞内への IBA の取り込みが低下していると考えられる（Watanabe et al. 2020）（図 9）。IBA から合成される IAA が側根形成に重要である事が

図 8. 野生型, npf7.3 における DR5 活性
根の重量方向を 90 度変化させると 野生
型では重力側に DR5 活性（赤）が偏って分布するが, npf7.3 ではそれがみられな
い.

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よく知られていたが，私たちの NPF の機能解析を通して，IBA から合成される IAA が根の重力屈性にも必要であるという新たな発見をもたらす事ができた。

図 9. NPF7.3 によって細胞内に取り込まれた IBA はペルオキシソーム内でのβ酸化によって IAA へと変換され，重力応答を引き起こす.

６．終わりに
これまで私たちの NPF に着目した研究を中心に紹介してきたが，近年になって異なる輸送体ファミリーに属する新たな植物ホルモン輸送体の同定が進んでいる（Anfang and Shani2021）。今後，植物ホルモンの輸送介の詳細な制御メカニズムを明らかにしていくためには，
植物体内における植物ホルモンの分布を正確に把握する事が必要であろう。現在私たちは，一細胞・超微量サンプルからの質量分析系の確立に取り組んでいる（Shimizu et al. 2015; 清水ら 2020）。これにより，適したマーカー遺伝子やセンサータンパク質が確立されていない植物ホルモンに関してもその局在を，高い空間解像度で明らかにする事が可能になると期待している。近い将来，これらの成果についても紹介できる日が来る事を強く願っている。

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イメージングで明らかになる
茎頂メリステムにおける生理活性物質の時空間的パターン
木下 温子
東京都立大学 理学系研究科 生命科学専攻〒192-0397 東京都八王子市南大沢 1-1

Spatiotemporal pattern of bioactive substances based on imaging technique
Atsuko Kinoshita
Tokyo Metropolitan University
1-1, Minami-Osawa, Hachioji, Tokyo, Japan 192-0397
Keywords: Doming, floral transition, gibberellin metabolism, shoot apical meristem
DOI: 10.24480/bsj-review.13b7.00230
１．はじめに
陸上植物の茎頂メリステムは，胚発生後の過程において地上部の器官形成を担う重要な組織である。その秩序だった形態形成は古くから解剖学的に解析されてきた。また近年の分子生物学の発展により，茎頂メリステムの維持機構で働く生理活性物質の存在や，その作用機構についても多くの知見が得られている。しかしながら，生理活性物質の局在を細胞レベルで明らかにすることは非常に困難であり，また異なる発生ステージにおける生理活性物質の分布の違いなど未解明の現象は多く残されている。本稿では，古典的解剖学の知見とともに，近年の分子生物学的成果を紹介し，イメージング技術を基盤として茎頂メリステムの形
態変化や生理活性物質の時空間パターン変化にアプローチする可能性について議論したい。

２．茎頂メリステムの構造と機能に関わる生理活性物質
２−１．茎頂メリステムの基本構造
被子植物の茎頂メリステムは垂層分裂を繰り返して層構造を成す外衣 (tunica) と任意の分裂面をもつ細胞からなる内体 (corpus) により構成される (Schmidt 1924) 。外衣は通常 L1，
L2 層の 2 層から成り，内体に当たる内側の細胞群は L3 層とも呼ばれる (図 1A) 。また，組織学的切片における染色の違いから，細胞分裂活性の低い中央帯 (Central zone: CZ) ，さかんに細胞分裂を繰り返し側生器官原基に細胞を供給する周辺部 (Peripheral zone: PZ) ，これらの下部に位置する髄状部 (Rib zone: RZ) の領域に大別される (Gifford 1954) (図 1B) 。
シロイヌナズナを用いた分子遺伝学的解析により，茎頂メリステムの恒常性維持には CZで発現する WUSCHEL (WUS) および CLAVATA3 (CLV3) 間における細胞非自律的な相互遺伝
子発現制御が重要であることが示されている (図 1C) 。WUS はホメオドメイン型転写因子をコードし，茎頂メリステムにおける幹細胞 (stem cell) の性質を決定する因子である (Laux etal. 1996) 。WUS は CZ の中でも特に細胞分裂活性の低い，形成中心 (Organizing center: OC)

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植物科学最前線 13:100 (2022)と呼ばれる領域で発現し，この領域に属する細胞群は幹細胞ニッチとして機能すると考えられている(Mayer et al. 1998) 。一方で，茎頂メリステムの幹細胞は OC の上部の領域に位置する。この領域に属する細胞は，一定の細胞分裂活性を持ち，自己と同じ幹細胞の性質をもつ
細胞と，PZ へ移行し分化する運命に転じる細胞とに非対称分裂する能力を有するとされる(Laux 2003) 。幹細胞で発現する CLV3 は分泌性のペプチドリガンドをコードし，翻訳産物のC 末端に存在する進化的に保存された CLE ドメインが切り出され，化学修飾を受けて成熟型
CLV3 ペプチドとなり、細胞外に分泌される (Fletcher 1999; Kondo et al. 2006; Ohyama et al.
2009) 。成熟型 CLV3 ペプチドは，OC 周辺で発現する受容体 CLV1 に認識され，その後細胞
内シグナル伝達を経て WUS の発現を抑制する (Clark et al. 1997; Ogawa et al. 2008; Shinohara
and Matsubayashi 2015) 。一方で，WUS は原形質連絡を介して幹細胞へと輸送され，CLV3 遺伝子の制御領域に直接結合してその発現を正に制御することが示されている (Yadav et al.
2011; Daum et al. 2014) 。この結果成立する WUS-CLV3 間の負のフィードバック機構により，
茎頂メリステムの恒常性が維持されると考えられている。

図１．茎頂メリステムの構造(A) 茎頂メリステムの層構造。垂層分裂を繰り返す L1, L2 層が外衣に，任意の分裂面をもつ L3 層が内体に相当する。(B) 茎頂メリステムの細胞組織帯。CZ: 中央部，PZ: 周
辺部，RZ: 髄状部，OC: 形成中心。(C) WUS-CLV3 フィードバック機構。幹細胞から細胞外に分泌された CLV3 ペプチドは CLV1 に受容され，その下流で WUS の発現を抑制する。WUS は原形質連絡を介して幹細胞に移行し，CLV3 の発現を直接誘導する。

２−２．茎頂メリステムにおける植物ホルモンの機能
前項で紹介した CLV3 は，近年植物で数多く見出されているペプチドホルモンの一種である (Matsubayashi and Sakagami 2006; Betsuyaku et al. 2011) 。これに加え，従来の低分子植物ホルモンも茎頂メリステムの維持に重要な役割を担うことが知られている。植物ホルモンの機能は多岐にわたるが，本稿ではシロイヌナズナを用いて近年明らかにされた，茎頂メリステ
ムの維持機構に関連する機能について紹介する (図 2) 。各植物ホルモンの化学的性質やシグ
ナル伝達機構については本や総説が出版されているのでそちらを参照されたい (浅見 and柿本 2016)。
サイトカイニンは細胞分裂やシュート再生を誘導する植物ホルモンであり，茎頂メリステ
ムの形成に重要な KNOX 型転写因子である SHOOT MERISTEMLESS (STM) により正に制御される (Jasinski et al. 2005) 。シロイヌナズナの茎頂メリステムにおいては，活性型サイトカ
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イニン合成の最終段階で機能する LONELY GUY (LOG) 4 遺伝子が L1 層で特異的に発現することから，サイトカイニンは L1 層で合成され求基的に拡散することにより濃度勾配を形成すると考えられている (Chickarmane et al. 2012) 。これに対し，サイトカイニン受容体をコードする AHK4 は OC を含む領域で強く発現し (Gordon et al. 2009) ，さらにその下流で転写活性化因子として機能する Type-B ARR により WUS の発現が直接誘導されることが明らかとなっている (Meng et al. 2017; Xie et al. 2018) 。また，サイトカイニン添加により CLV1 の遺伝子発現が低下することも確認されており，CLV シグナル伝達系の抑制により間接的に WUS を発現誘導することも示唆されている (Lindsay et al. 2006; Gordon et al. 2009) 。一方で，WUS は
サイトカイニン応答の負の制御因子である Type-A ARR の遺伝子発現を抑制することから，
WUS とサイトカイニン応答の間にもフィードバック機構が成立すると考えられる (Leibfried
et al. 2005) 。コンピューターシミュレーションを用いた解析から，正の制御因子であるサイ
トカイニンと負の制御因子である CLV3 ペプチドの拮抗作用は，WUS の特異的な発現部位の決定に重要であることが示されている (Gordon et al. 2009; Chickarmane et al. 2012) 。
オーキシンは器官形成や葉序パターンの形成など茎頂メリステムにおける細胞の分化誘導に重要であり，主に PZ で機能すると考えられている (Reinhardt et al. 2003; Vernoux et al.
2011) 。とりわけ，オーキシン応答転写因子である MONOPTEROS (MP)/ AUXIN RESPONSE
FACTOR (ARF) 5 は，クロマチンリモデリング因子をリクルートすることにより，PZ における 遺伝 子発 現を 制御 し， 器官 分化 を誘 導す る 重 要な 因子 であ る (Przemeck et al. 1996;
Yamaguchi et al. 2013; Wu et al. 2015; Chung et al. 2019) 。一方で，MP/ARF5 は type-A ARR をコードする ARR7 および ARR15 の発現抑制を介してサイトカイニン応答を調整することにより，茎頂メリステムの幹細胞性維持にも関与することが報告されている (Zhao et al. 2010) 。
更に，遺伝学的な分子ツールとゲノム解析を組み合わせた詳細な解析により，茎頂メリステ
ムの幹細胞はオーキシンによる分化誘導を受けないこと，その背景には WUS によるオーキ
図２．茎頂メリステムにおける植物ホルモンの機能(A) 茎頂メリステムにおける植物ホルモンの分布模式図。オーキシン・サイトカイニン応答
やジベレリン合成酵素の発現，KNOX 遺伝子の発現部位を模式的に示す。
(B) 茎頂メリステムにける植物ホルモンのクロストーク。転写調節能をもつ因子を黄色の網掛けで示す。*は直接的転写制御を，**はクロマチンリモデ
リングを介した転写制御を示
す。

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シンシグナリングの包括的な遺伝子発現抑制があることが明らかにされた。同時に，茎頂メ
リステムの幹細胞維持には一定レベルのオーキシンシグナリングが必要であることも示されており，このように極めて精緻なオーキシンシグナリングの制御は標的遺伝子の緩やかなヒ
ストン脱アセチル化を介していることが示唆されている (Ma et al. 2019) 。このように，WUSCLV3 間の相互作用を主軸とした茎頂メリステムの幹細胞維持機構は，代表的な植物ホルモンであるオーキシンとサイトカイニンによる複数のフィードバックを受け，さらに厳密に制御されると考えられる。
オーキシンとサイトカイニン以外の植物ホルモンについては，茎頂メリステムにおける機能がほとんど明らかにされていないが，ジベレリンに関しては複数の植物種において，KNOX
型転写因子により茎頂メリステムにおけるジベレリン代謝酵素の遺伝子発現が制御されることが示されている (Sakamoto et al. 2001a, 2001b; Hay et al. 2002; Chen et al. 2004; Bolduc and Hake2009) 。また，サイトカイニン欠乏状態においてジベレリンのシグナル伝達を構成的に活性化
すると，茎頂メリステムが著しく損なわれることから，KNOX 型転写因子によるサイトカイ
ニンとジベレリンの代謝制御が茎頂メリステムの正常な機能に重要であると考えられている(Jasinski et al. 2005) 。興味深いことに，近年著者らが行った解析により，茎頂メリステムにおけるジベレリン生合成酵素の遺伝子発現が花成誘導時にメリステムの PZ まで拡大することが示された (Kinoshita et al. 2020) (図 2A) 。この結果は，茎頂メリステムにおける生理活性物
質のバランスが植物の発生ステージに応じて変化しうることを示唆している。

３．植物の成長相転換を制御する生理活性物質
３−１．フロリゲンによる光周期花成植物はその発生ステージに応じて異なる形態を示す。花成は，植物が栄養生長から生殖生長に転じる重要な成長相転換であり，光周期 (日長) ，気温，齢，植物ホルモンなど，複数の外的・内的因子によって制御される (図 3) 。これらの外的・内的因子はそれぞれ情報伝達経路を介して FLOWERING LOCUS T (FT) ，SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS(SOC) 1，LEAFY (LFY) などの経路統合遺伝子へと集約され，最終的には茎頂メリステムにおいて LFY，APETALA (AP) 1， FRUITFULL (FUL) などの花芽形成決定遺伝子を活性化することにより，花メリステムの形成を誘導する (Andrés and Coupland 2012) 。
光周期は花成誘導に重要な外的因子の一つであり，春化を必要としない Columbia などのシロイヌナズナ実験室栽培系統ではとりわけ強力な花成誘導能を持つ。このシグナル伝達経路で特に重要な役割を持つのが，葉から茎頂へ情報を伝える長距離移行シグナルのフロリゲンである（図 3）。シロイヌナズナやイネの解析から，フロリゲンの実体は FT/Hd3a タンパク質であることが示されている (Corbesier et al. 2007; Tamaki et al. 2007; Jaeger and Wigge 2007;
Mathieu et al. 2007) 。シロイヌナズナでは長日条件下で葉の維管束篩部細胞における FT 遺伝子の発現が誘導され，その翻訳産物である FT タンパク質は茎頂に輸送される。茎頂に到達した FT タンパク質は 14−3−3 タンパク質を介して bZIP 型転写因子である FD と相互作用し，
AP1 を代表とする花芽形成遺伝子を活性化することにより花メリステムの形成を誘導する(Abe et al. 2005; Wigge et al. 2005; Taoka et al. 2011) 。近年，改変型 BiFC を用いたイメージン

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グ解析により，花成誘導時の茎頂メリステムにおけるフロリゲン複合体 (FT-FD 複合体) の挙動が詳細に検証され，AP1 の発現が開始す
る原基形成予定部位 (floral anlagen) においてフロリゲン複合体が共局在すること，またフロリゲン複合体は花成誘導後速やかに減少することが明らかにされた (Abe et al.
2019) 。この知見は，茎頂メリステムにおけるフロリゲン複合体の時空間的な作用が極めてダイナミックに変化していることを示唆している。

３−２．フロリゲンとアンチフロリゲン
による標的遺伝子の制御
FT は phosphatidylethanolamine binding
protein (PEBP) ファミリーに属する約 20kDaのタンパク質であり，花成の誘導因子として機能する。一方，同じ PEBP ファミリーに

図３．シロイヌナズナにおける花成制御
外的・内的因子の情報は葉で受容され，経路統合遺伝子である FT の遺伝子発現に集約される。FT タンパク質は長距離移行シグナルとして茎頂に輸送され，メリステムで発現する FD と相互作用してフロリゲン複合体を形成する。フロリゲン複合体の下流
で経路統合遺伝子である SOC1 や LFY の発現が誘導され，最終的には原基形成予定部位において花芽形成決定遺伝子である AP1の発現を誘導することにより花器官の分化を決定する。

属する TERMINAL FLOWER (TFL) 1 は花成抑制因子 (アンチフロリゲン) として機能することが知られている (Bradley et al. 1997) 。近年，ゲノムワイドな標的配列解析や薬剤処理による発現誘導実験の結果から，FT と TFL1 が FD との複合体形成において競合的に働き，花成時期を制御していることが明らかとなった (Collani et al. 2019; Goretti et al. 2020; Zhu et al.
2020) 。特に，花芽形成のマスターレギュレーターをコードする LFY は，FT-FD 複合体および TFL1-FD 複合体の共通の標的遺伝子であり，それぞれ正および負の制御を受けることにより，花成の時期を制御すると考えられる。また，TFL1-FD 複合体はアブシジン酸，サイトカ
イニン，ブラシノステロイド，オーキシン，ストリゴラクトンなどの植物ホルモンや，糖のシグナル伝達に関与する遺伝子の抑制にも関与することが示された (Zhu et al. 2020) 。これらの生理活性物質は，花芽の形成に促進的に働く一方，側枝の形成を抑制する働きを持つことから，TFL1 は花成の時期だけでなく植物の花序の分枝形態も制御することが示唆されている (図 4A) 。

３−３．ジベレリンによる花成誘導
植物ホルモンのジベレリンは，ロゼット植物を中心とする長日植物において，花成誘導に一定の効果を持つとされる内生のシグナルである (Bao et al. 2020) 。シロイヌナズナでは，ジベレリン欠損変異体が短日条件下で花成に至らないことから，特に非誘導条件における花成に必須であると考えられている (Wilson et al. 1992) 。組織特異的プロモーターを用いた解析から，ジベレリンは葉および茎頂の両組織において花成に促進的に働くことが明らかにされた (Porri et al. 2012; Galvão et al. 2012) (図 3) 。ジベレリンは葉での FT 遺伝子発現を誘導する
一方，茎頂メリステムにおいては経路統合遺伝子である SOC1 や LFY の遺伝子発現を促進す

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ることが示されている (Moon et al. 2003; Eriksson et al. 2006; Bao et al. 2019) 。しかしながら，
長日条件下においてはフロリゲンによる強力な花成誘導の効果に比べ，その機能は限定的である。

図４．異なる発生ステージにおけるメリステムのアイデンティティ(A) 成長相転換期におけるメリステムのアイデンティティ決定。FD のパートナーである FT と TFL1 のバランスは，花成の時期や器官原基のアイデンティティ決定に作用する。また，ジベレリンの濃度も FT/TFL1 とは異なるメカニズムで花成の時期や器官原基のアイデンティティ決定に関与する。 (B) 生殖成長期におけるメリステムのアイデンティティ決定。TFL1 (青) は花序および側芽のメリステムで発現し，LFY/AP1 (橙) の発
現を抑制することにより花メリステムへの転換を抑制する。LFY/AP1 は花メリステムのアイデンティティを決定し，花器官の分化を誘導する。WUS (赤) により誘導される AGは KNU の発現誘導を介して WUS を抑制し，この結果花メリステムの幹細胞が維持されず終結する。

４．植物の成長相転換とメリステムの性質転換
４−１．メリステムと発生ステージ
茎頂メリステムの無限性は，植物がその一生を通じて新たな器官を形成し続けるために必須である。その意義は栄養成長期において特に顕著であるが，生殖成長期においてはその限りではない。植物は，その繁殖戦略により生殖成長期におけるメリステムの無限性，有限性
を段階的に制御し，その結果として多様な花序形態を生み出している (Sablowski 2007;
Benlloch et al. 2015; Périlleux et al. 2019) 。
生殖成長期に形成される花原基は幹細胞を有し，複数の花器官を形成する能力をもつことから花メリステムと呼ばれる。一般的に，花メリステムは有限性のメリステムであり，一定の花器官を形成した後に幹細胞の性質が失われ，終結する。この過程に関しては，花メリス
テムのアイデンティティーが確立した後に WUS と LFY によって誘導される AGAMOUS (AG)
転写因子が，ヒストン修飾を介した KNUCKLE (KNU) 発現誘導により WUS の発現を抑制するという，時間差制御機構が明らかにされている (Yanofsky et al. 1990; Lenhard et al. 2001; Sunet al. 2009, 2014) 。チューリップやスミレのように単頂花序を持つ植物では，花成にともない
茎頂メリステムは花メリステムへと転換し，これはすなわち主茎における無限成長の終結を意味する。一方で，多くの植物種では花成にともない茎頂メリステムは花序メリステムへと転換し，この花序メリステムから側枝あるいは花メリステムが形成される。花序形態によっ

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植物科学最前線 13:105 (2022)て期間に相違はあるものの，シロイヌナズナのような総状花序をもつ種では，花序メリステ
ムにおいても WUS-CLV3 間の負のフィードバック機構により幹細胞が維持されており，ほぼ永続的に花メリステムを形成する能力をもつ (図 4B) 。成長相転換にともない茎頂メリステ
ムが花序メリステムあるいは花メリステムのいずれに転換するのか，また花序メリステムにおける無限性や側方原基のアイデンティティがどのように制御されているのか。これらの点は，生殖成長期におけるメリステムの性質転換と密接な関係があり，また植物における花序
形態の多様性を理解する上で重要な要素である。

４−２．生殖成長期におけるメリステムのアイデンティティ決定
TFL1 は花成抑制因子として働く一方，メリステムのアイデンティティ決定にも作用する
ことが知られている。TFL1 は茎頂メリステムの CZ で発現し，その発現レベルは花成に先立って顕著に上昇する (Bradley et al. 1997) 。TFL1 の機能欠損変異体では花序メリステムが早期に花メリステムへと転換し終結することにより，有限花序様の形態を示すことが観察されている。遺伝学的な機能解析により，TFL1 は花メリステムのアイデンティティ決定に必要なLFY や AP1 など MADS ボックス型転写因子をコードする遺伝子の発現を花序メリステムで抑制する機能を持つことが示された。一方で，花メリステムで強く発現する LFY および AP1は TFL1 の発現を抑制する機能を持ち，このような相互に抑制的な遺伝子発現制御機構により，花序メリステムと花メリステムのアイデンティティが確立される (Ratcliffe et al. 1999) (図4B) 。
生殖成長期において，花序メリステムからは花メリステムのみならず，苞葉の腋芽から側枝として新たな花序メリステムも形成される。シロイヌナズナでは，生殖成長期の前期には
茎生葉および側枝を形成し，その後花メリステムを形成する後期へと移行する (Pouteau andAlbertini 2011) 。生殖成長前期から後期への移行には，植物ホルモンのジベレリンの関与が示
唆されている。３−３で述べたように，シロイヌナズナにおいてジベレリンは栄養成長期から生殖成長期への転換に促進的に働く。一方で，ジベレリンは側枝の形成から花メリステムの形成への転換には抑制的に働き，ジベレリンが高蓄積した遺伝学的背景では側枝の数が増大することが報告されている。側枝と花メリステムのアイデンティティ決定には，ジベレリン
シグナリングの標的因子である DELLA タンパク質と SQUAMOSA PROMOTER-BINDING
LIKE (SPL) 転写因子による協調的な AP1 遺伝子の発現制御があることが示されている(Yamaguchi et al. 2014) (図 2B) 。上記のように，ジベレリンもまた TFL1 とは異なる作用機構
で花序の分枝形態を制御しうると考えられる (図 4A) 。

４−３．成長相転換にともなうメリステムの形態変化
前項で紹介したように，栄養成長期から生殖成長期への転換は，茎頂メリステムから花序
メリステムあるいは花メリステムへの転換と捉えられる。この転換の過程には，メリステム
における遺伝子発現プロファイルのみならず，形態的にも大規模な変化が起こることが明らかにされている (Kwiatkowska 2008) 。

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成長相転換にともなうメリステムの形態変化のうちで最も顕著なものが，細胞分裂活性の変化である。組織切片を用いた古典的な解剖学的解析から，花成の日長要求性や花序形態によらず様々な植物種において，花成にともない茎頂メリステムの細胞分裂活性が上昇することが報告されている (Kwiatkowska 2008) 。特に，細胞分裂活性が低いとされている CZ において細胞分裂の活性化が認められ，細胞組織帯の構造が変化する様子が観察されている(Bodson 1975; Marc and Palmer 1982) 。一方で，メリステムの内部の細胞は順々に液胞化し，その結果として茎頂メリステムのサイズは全体的に大きくなり，しばしば高いドーム状の構造（ドーミング）へと変化する。また，細胞分裂活性の変化の他にも，アブラナ科のシロガラ
シにおいて花成にともなう原形質連絡の増大や，細胞周期の同調の例などが報告されている(Ormenese et al. 2000, 2002) 。
このような細胞分裂活性やメリステムの形態変化の例は数多く報告されているにも関わらず，その分子メカニズムについてはほとんど明らかにされていない。その原因として，これらの知見が主に古典的な解剖学的知見に基づいており，遺伝学的な検証が欠如していることが挙げられる。モデル植物のシロイヌナズナにおいても，領域ごとの細胞分裂活性は検証されているものの，その分子機構については十分検証されているとは言い難い (Laufs et al.
1998; Jacqmard et al. 2003; Reddy et al. 2004) 。近年，トマトにおいてアンチフロリゲンをコードする SELF PRUNING (SP) の発現抑制が解除されることにより早期にドーミングが起こる
変異体が単離されており，花成にともなうアンチフロリゲンの増大がメリステムのサイズを制御する可能性が示唆されている (Tal et al. 2017) 。また，筆者らは 3D 画像解析を用いて花成にともなう茎頂メリステムの形態変化を定量的に解析し，花成に促進的に働く FT とジベ
レリンの関与を検証した。その結果，長日条件における花成の誘導に際しメリステムの細胞数と細胞サイズがいずれも増大すること，またこの過程には FT とジベレリンの両者が寄与していることを報告した (Kinoshita et al. 2020) 。これらの知見は，メリステムの形態が大きく変化する成長相転換期において，メリステムの恒常性を撹乱する作用をもつ生理活性物質が存在することを示唆しており，このような発生ステージ依存的な制御機構に関してはさらなる遺伝学的検証の余地が残されていると考えられる。

５．まとめ
本稿では，茎頂メリステムにおける様々な生理活性物質の局在や機能について紹介した。
ここでは取り上げなかったが，CLE40 や EPFL など茎頂メリステムで機能することが示唆されているペプチドホルモンも多く存在する (Uchida et al. 2013; Zhang et al. 2021; Schlegel et al.
2021) 。このように，茎頂メリステムという微細な構造の中では，実に多くの生理活性物質が細胞の内外を行き交い，しかもその局在や濃度は発生ステージに応じてダイナミックに変動している。低分子の生理活性物質の検出は技術的に困難であると考えられているが，機能的な生合成酵素の局在や，シグナリングレポーターの利用，さらにタンパク質間相互作用を利用した検出系の開発など，イメージング技術を基盤としたアプローチにより，その一端が徐々に明らかになりつつある。今後も、新たな技術の開発と遺伝学的アプローチの融合により，異なる発生ステージにおける生理活性物質の挙動が明らかになると期待される。

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謝辞
本稿の執筆にあたっては，JSPS 海外特別研究員奨励費，アレクサンダー・フォン・フンボ
ルト財団，公益社団法人

内藤記念科学振興財団の助成をいただきました。この場を借りて御礼申し上げます。

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