森林総合研究所

平成 21 年版

研究成果選集ポプラの環境ストレス応答性遺伝子の網羅的発現解析
生物工学研究領域 ストレス応答研究室 楠城 時彦、西口
領域長

満篠原 健司

背景と目的
樹木の環境ストレス応答機構や耐性機構の解明は、持続的な環境保全を考える上で大変重要な課題です。本研究では、乾燥、高塩濃度や低温等の環境ストレスに対する樹木の分子応答機構を解析するために、DNA マイクロアレイによるポプラ遺伝子の網羅的発現解析を行いました。DNA マイクロアレイを使うと、数万種から数十万種におよぶ遺伝子の発現を一回の実験で解析することができます。本研究では、ポプラの DNA マイクロアレイを使って、環境ストレスを加えた時に発現が変動する遺伝子を２千種類以上同定しました。それらの遺伝子群には、高環境ストレス耐性組換え樹木の作出への応用が期待される有用遺伝子候補が多数含まれていました。

成 果
DNA マイクロアレイによる遺伝子発現 * の網羅的解析ものが 843 種でした（図１）。また、同一のストレス処

DNA マイクロアレイは、ガラスやプラスチックなど理でも処理時間（２、10 時間）により発現変動の上昇の基板の上に多数の DNA 断片や合成オリゴヌクレオチと下降が逆転するものが 11 種ありました。特に、ストドを貼り付けた実験器具で、DNA チップとも呼ばれまレスによって発現レベルが上昇する、つまりストレス時す。DNA マイクロアレイを使うと、数万種から数十万に積極的にタンパク質を合成する遺伝子の中には、オリ種におよぶ遺伝子の発現を一回の実験で解析することがゴ糖やアミノ酸の合成酵素遺伝子、転写因子やプロテイできます。本研究では、ポプラゲノム上にある遺伝子のンキナーゼなどストレスシグナルの伝達に関わる遺伝ほとんどすべてを搭載した DNA マイクロアレイを用い子などが含まれていました（表１）。これらの遺伝子は、ました。

いずれも樹木の環境ストレス応答に深く関わっている可ポプラ（セイヨウハコヤナギ、Populus nigra var.

能性があります。

italica ）の葉に、乾燥、高塩濃度、低温やアブシジン酸

本研究で得られた成果は、樹木の環境ストレス応答機（ABA）のストレス処理（０、２、10 時間）を加えまし

構解明の足がかりとなるだけでなく、樹木独自のストレた。ストレス処理前と処理後の本葉から抽出した RNA

ス誘導性プロモーターの開発、環境ストレス耐性遺伝子を DNA マイクロアレイと反応させることにより、スト組換え樹木の開発、さらに耐性品種の DNA 選抜マーカレスに応答して発現が変化する遺伝子を解析しました。

ーの開発にも役立ちます。

ポプラのストレス応答性遺伝子の特定
乾燥、高塩濃度、低温及びアブシジン酸いずれかの処

本研究は、森林総合研究所交付金プロジェクト「ポプラ等樹木の完全長 cDNA 塩基配列情報の充実」により、理によって、発現が有意に変動する遺伝子を 2,214 種 （独）理化学研究所植物科学研究センターとの共同研究同定しました。それらのうち、ストレスにより発現レベルが上昇するものが 1,382 種、発現レベルが下降する44として推進しました。

FFPRI

乾燥70(14)282(124)264(191)

高塩濃度490(161)

乾燥40(4)37(21)

高塩濃度533(185)20(13)

49561213(6)
(39)
(4)
(7)
乾燥
高塩濃度
乾燥
高塩濃度
28237
低温
低温
70490
40533
(21)
6125(14) (124)
(161)
(4)
(185)
(12)
(1)
264
20
ABA
ABA
(191)
(13)
110
163
4956
1213(6)
(39)
(4)
(7)
発現が上昇した遺伝子数（1,382）
発現が下降した遺伝子数（843）低温
低温
図１ ストレス処理により発現が変動したポプラの遺伝子数6125
図１．ストレス処理により発現が変動したポプラの遺伝子数
(12)
(1)
ABA
ABA

乾燥、高塩濃度、低温、アブシジン酸（ABA）の各処理により発現が変動した遺伝子数。左がスト乾燥、高塩濃度、低温、アブシジン酸（ABA）の各処理により発現が変動した遺伝子数。左がスト110
163
レス処理により発現が上昇した遺伝子グループ、右がストレス処理により発現が下降した遺伝子グレス処理により発現が上昇した遺伝子グループ、右がストレス処理により発現が下降した遺伝子グループ。括弧内は各処理区のうちABA 処理による発現変動が見られたもの（内数）を示します。
発現が上昇した遺伝子数（1,382）
発現が下降した遺伝子数（843）
ループ。括弧内は各処理区のうち
ABA 処理による発現変動が見られたもの（内数）を示します。

図１．ストレス処理により発現が変動したポプラの遺伝子数
タンパク質の機能
ストレス処理
オリゴ糖合成酵素
乾燥、高塩濃度、低温、アブシジン酸（ABA）
乾燥、高塩濃度、低温、アブシジン酸（ABA）の各処理により発現が変動した遺伝子数。左がストレス処理により発現が上昇した遺伝子グループ、右がストレス処理により発現が下降した遺伝子グ
チトクローム P450
乾燥、高塩濃度、低温、アブシジン酸（ABA）
ループ。括弧内は各処理区のうちABA 処理による発現変動が見られたもの（内数）を示します。
表１
ストレス処理により発現が上昇したポプラ遺伝子から推定したタンパク質の機能
プロテインキナーゼ
乾燥、高塩濃度、低温、アブシジン酸（ABA）
転写因子（DNA 結合タンパク質）
乾燥、高塩濃度、低温、アブシジン酸（ABA）
タンパク質の機能
ストレス処理水輸送タンパク質
乾燥、高塩濃度
オリゴ糖合成酵素
乾燥、高塩濃度、低温、アブシジン酸（ABA）
アブシジン酸合成酵素
乾燥
チトクローム P450
乾燥、高塩濃度、低温、アブシジン酸（ABA）
脂肪酸不飽和化酵素
低温
プロテインキナーゼ
乾燥、高塩濃度、低温、アブシジン酸（ABA）
イオン輸送タンパク質
高塩濃度
転写因子（DNA 結合タンパク質）
乾燥、高塩濃度、低温、アブシジン酸（ABA）
アミノ酸（プロリン）合成酵素
高塩濃度
水輸送タンパク質
乾燥、高塩濃度？）は？）表１．ストレス処理により発現が上昇したポプラ遺伝子から推定したタンパク質の機能
アブシジン酸合成酵素
乾燥
脂肪酸不飽和化酵素
低温
補足説明
イオン輸送タンパク質
高塩濃度
遺伝子発現とは、DNAの情報が mRNA に転写され、さらにmRNA の情報をもとにタンパク質が合アミノ酸（プロリン）合成酵素
高塩濃度？）は？）成されるまでの一連の過程を意味する場合と、DNA から mRNA への転写段階のみを指す場合があり
表１．ストレス処理により発現が上昇したポプラ遺伝子から推定したタンパク質の機能ます。本稿では、後者すなわち遺伝子発現という語彙を狭義で用いています。また本研究では、DNA
マイクロアレイ解析の結果、ストレス処理前後の発現比（ストレス処理後／ストレス処理前）が1よ
補足説明
り大きかったものを「ストレスに応答して発現が上昇した」、1より小さかったものを「ストレスに遺伝子発現とは、DNA の情報が mRNA に転写され、さらに mRNAの情報をもとにタンパク質が合応答して発現が下降した」とそれぞれ定義しています。
成されるまでの一連の過程を意味する場合と、DNA から mRNA への転写段階のみを指す場合があり* については、巻末の用語解説をご覧ください。
ます。本稿では、後者すなわち遺伝子発現という語彙を狭義で用いています。また本研究では、DNA
目次の要約
マイクロアレイ解析の結果、ストレス処理前後の発現比（ストレス処理後／ストレス処理前）が 1 よ 45
DNA マイクロアレイを用いて、ポプラの環境ストレス応答性遺伝子を 2,214 種類同定しました。こり大きかったものを「ストレスに応答して発現が上昇した」、1 より小さかったものを「ストレスにれらの遺伝子群は、環境保全に貢献する高環境ストレス耐性遺伝子組換え樹木の開発に役立ちます。
応答して発現が下降した」とそれぞれ定義しています。