ネギ属植物の香味および健康機能性の向上を目指した含硫化合物の生合成調節に関する研究

63＜令和元年度助成＞

ネギ属植物の香味および健康機能性の向上を目指した
含硫化合物の生合成調節に関する研究吉本尚子（千葉大学大学院 薬学研究院）

1．はじめに傷害ストレス等の環境因子や、病傷害ストレス応答に関わる植物ホルモンや細胞分化等の内在性因子をシステインスルホキシド誘導体群（CSOs；アリイ探索した。

ン、イソアリイン、プロピイン、メチイン等）は、ネギ属植物に含まれる含硫二次代謝物である。病傷害や調理により植物組織が損傷すると、CSOs は内2． 細 胞 の 分 化 が CSOs 含 有 量 お よ び ア リ イ
ナーゼ活性に及ぼす影響の解析

在性酵素であるアリイナーゼによってスルフェン酸に変換され、スルフェン酸からは非酵素的反応によ

タマネギ、ネギ、ニラの 5 週齢の植物体と我々のり多様な含硫化合物が生じる。このようにして CSOsグループが誘導し 2 年以上安定に継代培養した同植から生じた含硫化合物群は、ネギ属植物にとっては物種のカルスについて、CSOs 含有量とアリイナー外敵に対する防御物質として機能する一方、ヒトにゼ活性を測定した（図 1）。タマネギとネギの植物体

とってはネギ属植物の特徴的な香味として感じられにおける主要な CSOs はイソアリインであり、ニラるのに加えて、癌や循環器系疾患の抑制や改善に役植物体はメチイン、アリイン、イソアリインをほぼ立つ。

同量ずつ含有していた。一方、これらネギ属植物の近年の研究により CSOs の生合成経路が推定され、カルスについては、総 CSOs 含有量はクローン間でCSOs 生合成を構成する個々の反応を触媒する酵素差が見られるものの、主要な CSO はメチインであっの実体やアリイナーゼの特性が徐々に解明されつつた。カルスの総 CSOs 含有量は、タマネギとネギである。一方、CSOs 生合成の調節に関する知見は極は植物体の葉と同程度、ニラでは植物体の葉の 30％

めて少ない。ネギ属植物にとって CSOs は外敵に対未満であった。これに対し、カルスのメチイン含有する防御の役割を持つことから、病傷害ストレスや量は、タマネギでは植物体の葉の約 3 ～ 12 倍、ネその伝達に関わる植物ホルモンで処理することによ

ギでは植物体の葉の約 1 ～ 3 倍、ニラでは植物体のり CSOs 生合成が促進されると予想される。また、葉の 60％未満であった（図 1）。

我々のグループによる予備実験の結果、タマネギ、植物体のアリイナーゼ活性は、ニラではタマネギネギ、ニラのカルスでは同種の植物体と比較してやネギと比較して約 10 倍高かった。タマネギのカCSOs 含有パターンが異なることが示された。これ

ルスのアリイナーゼ活性は、タマネギ植物体の葉には、細胞の分化の程度に応じて CSOs 生合成を調節おける活性の 30％未満であった。ネギのカルスのする機構がネギ属植物内に存在することを示唆してアリイナーゼ活性は極めて低く、ネギ植物体の葉にいる。

おける活性の 2％未満であった。ニラのカルスにつそこで本研究では、ネギ属の香味野菜として国内

いては粗タンパク質抽出液のタンパク質濃度決定がで広く親しまれているタマネギ、ネギ、ニラの植物夾雑物混入のため困難なクローンが多かったため、体やカルスを用いて、CSOs の生合成を調節する病

4 ク ロ ー ン の み ア リ イ ナ ー ゼ 活 性 を 測 定 し た が、

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その活性値はニラ植物体の葉における活性の約 10

ネギとネギのカルスについては細胞が未分化なため～ 200％とクローンによりばらつきが大きかったにアリイナーゼを十分に発現および蓄積することが（図 1）。

できなかったのだと考えられる。

本研究の結果、解析したどのネギ属植物種につい本研究開始時には予想していなかったが、タマネても CSOs の蓄積とアリイナーゼ活性には細胞の分ギとネギのカルスは、植物体よりもメチインを多く化が大きく関わっていることが示唆された。分化し含み、アリイナーゼ活性は低かった。カルスにおけた植物体ではアリインやイソアリインを多く蓄積する水分含量を 90％と仮定すると、メチインの細胞るのに対して、脱分化した細胞であるカルスではメ内濃度はタマネギカルスでは 3 ～ 14 mM、ネギのチインを優先的に蓄積すると言える。これはメチイ

カルスでは 2 ～ 6 mM と計算できる。これは一般的ンの生合成と、アリインとイソアリインの生合成が、な細胞において最も主要な非タンパク質性硫黄化合細胞の分化に応じて異なる調節を受けていることを物であるグルタチオンの濃度（0.1 ～ 1 mM）と同示唆している。CSOs の生合成においてメチイン生等かそれ以上の量である。メチインはアリイナーゼ合成経路とアリインやイソアリインの生合成経路はによって香味・健康機能性成分に変換されるのに加初期段階で分岐することも、この仮説を支持していえて、メチイン自身も抗酸化活性や抗高コレステる。一方、アリイナーゼは植物体において維管束鞘ロール活性を持つことが知られている。本研究成果

細胞に特異的に蓄積することから、少なくともタマは、タマネギやネギのカルスが天然型メチインを高図1

タマネギ、ネギ、ニラのカルスと植物体における CSOs 含有量とアリイナーゼ活性R1-1 等はカルスのクローン番号を示す。

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生産する生物生産系として有用であることを示している。生産されたメチインを抽出して産業利用する
場合、これらのカルスはアリイナーゼ活性が低いため、抽出に伴うメチインの分解を低減できると考えられる。

3． 病 傷 害 ス ト レ ス お よ び そ の 応 答 に 関 わ る
植 物 ホ ル モ ン 処 理 が CSOs 含 有 量 に 及 ぼす影響の解析
タマネギ、ネギ、ニラの 5 週齢の植物体について、塩ストレスとして 50 mM 塩化ナトリウム、浸透圧
ストレスとして 60 mM ショ糖＋ 60 mM ソルビトー
ル、病原菌感染様ストレスとして 0.5 mg/mL 酵母
エキスで 1 週間処理した。一般的に病傷害ストレスに応答した植物二次代謝物の生合成調節は、植物ホルモンとして知られるメチルジャスモン酸（MeJA）やサリチル酸（SA）がシグナル伝達物質として機能することで行われる。そこで、5 週齢の植物体を100 µM MeJA、200 µM MeJA、100 µM SA、200µM SA で 1 週間処理した。これらの植物体におけるCSOs 含有量を解析した（図 2）。
ストレス処理では、塩ストレスによりニラのメチイン含有量が、病原菌感染様ストレスによりニラのメチイン、アリイン、イソアリイン含有量が有意に

図2

ストレス処理したタマネギ、ネギ、ニラの植物体における CSOs 含有量増加した。浸透圧ストレスによる CSOs 含有量の変また、SA 処理は 100 µM の濃度では CSOs 含有量に化はいずれの植物種においても観察されなかった。

有意な変化を起こさないが、200 µM の濃度ではア

植物ホルモン処理では、実験に用いた全ての植物種リインとイソアリインを有意に増加させることが示において CSOs 含有量が変化したが、その変化の様された。このように、解析した 3 植物種において共式は植物種によって共通する点と異なる点があっ

通に観察された応答は MeJA 処理によるイソアリイた。タマネギでは MeJA 処理によりイソアリインがンの増加であり、その他の応答は植物種特異的で有意に増加した。ネギでは、MeJA 処理によりメチあった（図 2）。

インが有意に減少した一方でイソアリインが有意にそこで、タマネギ、ネギ、ニラのカルスについて増加し、特に 100 µM の濃度では総 CSOs 含有量がも植物体と同様に MeJA 処理によりイソアリイン含有意に増加した。さらに、SA 処理によりメチインが有量が増加するか検討した。その結果、タマネギの有意に減少し、特に 200 µM の濃度では総 CSOs 含カルスは 100 µM および 200 µM の MeJA 処理によ有量が有意に減少した。ニラでは MeJA 処理によりり、ニラのカルスは 200 µM の MeJA 処理により、アリインとイソアリインが有意に増加し、特に 200イソアリイン含有量が有意に増加した。ネギのカルµM の濃度では総 CSOs 含有量が有意に増加した。

スは今回解析した条件では MeJA 処理によるイソア

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Vol.31（2024）を示唆している。本研究により得られた知見は、病傷害ストレス処理や植物ホルモン処理によってネギ属野菜の香味や健康機能性を人為的に向上できる可能性を示している。しかし、農業やサプリメント生産等の産業に活用するためには、処理によるネギ属野菜の生育や CSOs 以外の成分に与える影響の解析や、処理の濃度や期間についての最適条件の検討等、さらなる研究が必要だと考えられる。

4．おわりに
図3

MeJA 処理したタマネギ、ネギ、ニラのカルスにおける CSOs 含有量リイン含有量の変化は見られなかった（図 3）。
これらの結果から、ネギ属植物には病傷害ストレスを受けると MeJA や SA によるシグナル伝達を介本研究により、ネギ属植物の CSOs 生合成が細胞の分化やストレスによって調節されることが示された。本研究の成果は、将来的にネギ属植物の食品科学的・予防医学的価値を人為的に向上させるための基礎的知見として役立つものである。

して CSOs の生産量を調節する機構が存在することが示唆された。同一植物種に対する同一の処理に謝

辞よって増加する CSO と減少する CSO があることは、本研究を助成して下さいました公益財団法人 浦上

植物にとって個々の CSO の生理的役割が異なること

食品・食文化振興財団に心より御礼申し上げます。

Investigation of regulation of the biosynthesis of sulfur-containing compounds in Allium plants
for the future improvement of their flavoring and health-beneficial properties

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Investigation of regulation of the biosynthesis of sulfur-containing
compounds in Allium plants for the future improvement of theirflavoring and health-beneficial properties
Naoko YOSHIMOTO
Graduate School of Pharmaceutical Sciences, Chiba University
S -Alk(en)ylcysteine sulfoxides (CSOs), such as methiin, alliin, and isoalliin are
sulfur-containing natural products biosynthesized by the genus Allium . Whennatural enemies damage tissues, the endogenous enzyme alliinase hydrolyzes
CSOs to trigger the formation of various sulfur-containing compounds withflavoring and health-beneficial activities. Here, we report the ability of theseedlings and callus tissues of three Allium vegetables, onion (Allium cepa ),Welsh onion (Allium fistulosum ), and Chinese chive (Allium tuberosum ) toaccumulate CSOs under non-stressed and stressed conditions. When grownu n d e r n o n - s t r e s s e d c o n d i t i o n s , t h e s e e d l i n g s o f o n i o n a n d We l s h o n i o n
accumulated isoalliin as a major CSO, while the seedlings of Chinese chive
contained methiin, alliin, and isoalliin at similar levels. In contrast, the callus
tissues of these plants accumulated methiin as a major CSO. These results
suggest that the cellular developmental conditions and regulatory mechanisms
necessary for the biosynthesis of methiin differ from those of alliin andisoalliin. The callus tissues of onion and Welsh onion showed much higher
methiin levels and lower alliinase act ivit ies than those of the seedlings,
highlighting their potential as an efficient production system for the naturalform of methiin. The amount of methiin, alliin, and isoalliin increased in
Chinese chive following treatment with yeast extract, suggesting that thebiosynthesis of these compounds is induced in response to microbial infections.
Treatment w ith methyl jasmonate, a phy tohormone generally involved inregulating secondary metabolisms in response to biotic stresses, resulted in an
increase of the isoalliin amount in all tested plant species and an increase of
the alliin amount in Chinese chive. An increase of isoalliin levels by treatment
with methyl jasmonate was also observed in the callus tissues of onion andChinese chive. These results suggest the presence of methyl jasmonatemediated positive regulation of CSO biosynthesis in Allium plants.