バイテク情報普及会 第 2 回 高校生科学教育大賞 最優秀校
広尾学園高等学校 活動計画概要
活動の名称
シロイヌナズナ感受性変異体を用いたカドミウム耐性機構の解析

背景・目的はじめに社会で求められる課題の解決に役立てられるような研究を進めることにより、この活動を行う私（高２石田萌音）自身の農業･バイオテクノロジーへの関心を更に深めることができる。実際に、１年間の研究を通して植物の生体反応の仕組みについての理解・興味が深まったことで、研究のディスカッション等を趣味のような感覚で行うことができた。本研究によって得られた研究成果を学会や学内の報告会において発表することで、高校生が主体的に研究活動を行うことができるような環境の増進を図る。この取り組みを日本全国に普及させることができれば、高校生の農業･バイオテクノロジーについての関心を深めることに繋がると期待できる。以下に本研究の前任者の研究成果及び前年度(高 1)までに私が行った研究内容を背景・目的として述べる。
社会においてカドミウムは人体に有害であることが知られている。日本では火山活動の影響でカドミウムが土壌に広く分布している《1》。カドミウムによる土壌汚染が起こると、その土壌で育てられた農作物は生物濃縮により人体に甚大な被害を及ぼす。そこで、この問題を改善するために私は植物のファイトレメディエーション機能の効率の向上を目的として研究を行っている。ファイトレメディエーションとは植物が土壌中の重金属を吸収し、それらを自らの体内に集めることを利用した環境浄化法である。この機能を用いて植物を汚染土壌に植えて、カドミウムを吸収させ、枯死する前に撤去すれば土壌中のカドミウム濃度を減少させることができる。しかし一般的に植物はカドミウム濃度が高い場所では育つことができない。そこでカドミウムが高濃度に存在する場所でも生育できるようにカドミウムに耐性を持ち、かつカドミウムを吸収することができる植物が必要である。このことから、私は植物がカドミウムに耐性を持つことに関連して働く遺伝子及びそのメカニズムを調査している。
本研究では hsc1(High Sensitivity of Cadmium1)というカドミウムに弱いシロイヌナズナの変異体を用いている。hsc1 はカドミウム高濃度条件下に曝露したとき野生型と比べて根の伸長が抑制された変異体である［図１］。この hsc1 変異体で変異が起きている遺伝子が植物のカドミウム耐性に関わっていると考えることができる。また、電力中央研究所の後藤らはこの hsc1 の変異原因遺伝子は TPI(トリオースリン酸イソメラーゼ)遺伝子であると推定した《2》。

私はこの研究を引き継ぎ hsc1 の変異原因遺伝子が TPI 遺伝子であることを証明するため、ABRC(Arabidopsis Biological Resource Center)から TPI 遺伝子を欠損させた********という系統の種子を取り寄せた。TPI 遺伝子を欠損している********をカドミウム条件下で育成させたときに********の根の伸長が野生型と比べて抑制されれば TPI 遺伝子がカドミウム耐性に関与していることが示されると考え、実験を行った。カドミウム濃度が 0 μM の培地で1 週間、その後カドミウム濃度が 0 μM、50 μM、100 μM の培地にそれぞれ移して生育させ、1 週間目から 2 週間目までの根の伸長を測定した。その結果、カドミウム 50μM の培地において********は野生型と比べて根の伸長が抑制されるという結果が得られた［図１］。よって TPI 遺伝子はカドミウム耐性に関わっていると示された。

［図１］根の伸長結果
野生型,hsc1,********を播種した日を 0 日目として一週間 Cd0 μM の培地で生育し、その後 Cd0,50,100 μM の培地にそれぞれを移して一週間曝露した。左図の白色の三角形は一週目まで、黄色の三角形は二週目までの根の伸長を表している。今回は一週目から二週目までの根の伸長を比較した。それをグラフにしたものが右図である。
一方で TPI 遺伝子は植物細胞の光合成におけるカルビンベンソン回路中の一部の反応、また呼吸反応における解糖系の一部の反応を司る遺伝子であり、金属輸送やカドミウムとの結合は不明である。しかし、［図１］において hsc1 と********は TPI 遺伝子を欠損しているにも関わらず、Cd 0 μM では野生型と同じような表現型を示した。TPI 遺伝子を欠損しているということは光合成反応の途中段階や、呼吸反応の途中段階で反応が停止すると予想されるが、変異体は正常に生育しているように見えた。ところで、TPI タンパク質はシロイヌナズナのゲノム上の＊＊＊＊＊＊にコードされるものと＊＊＊＊＊＊にコードされるものの２つがあることが推定されており、今まで本研究で用いてきた 2 つの変異体は＊＊＊＊＊＊の TPI 遺伝子を欠損しているものであった。よって＊＊＊＊＊＊がコードする TPI 遺伝子はカドミウム存在下で活性化できないものであり、光合成の一部の反応及び解糖系の一部の反応のみを司るものであると考えられた［図２］。

［図２］＊＊＊＊＊＊と＊＊＊＊＊＊の関係性
表中の◯と✕は◯･･･存在している/行っている/耐性を持っている✕･･･欠損している/耐性を持っていないを表す。

本研究を遂行することで TPI 遺伝子の更なる機能の解析及びカドミウムに対する植物のファイトレメディエーション技術の確立に役立つと期待できる。
《1》農林水産省ホームページ

食品中のカドミウムに関する情報2018 年 3 月 27 日閲覧《2》Mutagenesis by T-DNA tagging selection of the cadmium sensitive mutants

Fumiyuki goto et al.

2007/3/15

活動計画及び支援金の使途先ず、TPI 遺伝子を欠損している hsc1 に TPI 遺伝子を導入する。この個体がカドミウム高濃度条件下で野生型と同じように成長することができれば TPI 遺伝子がカドミウム耐性に関わるということが確実に証明できると考えている。また TPI 遺伝子を野生型に導入し、強制的に発現させることでカドミウムに対して高耐性機能を持つ植物ができると期待できる。それに加えて、その植物のカドミウム吸収効率についても検討する。また植物がカドミウム耐性を持つメカニズムの解明に努めたい。更に＊＊＊＊＊＊, ＊＊＊＊＊＊の TPI 遺伝子ファミリーの役割の解析も進めていく。それに伴って、＊＊＊＊, ＊＊＊＊の TPI 遺伝子ファミリーのカドミウ
ム条件下における酵素活性の比較と＊＊＊＊＊＊にコードされる TPI 遺伝子の発現解析を行う。そして TPI 遺伝子は光合成反応の一部を司っており、このことから光合成反応がカドミウム耐性に関連していることが疑われるので、葉における重量の解析なども行っていく。
また、hsc1 を本校に提供してくださった電力中央研究所、本校の植物研究チームとの連携を図ってくださった東京理科大学と本研究の内容についてのディスカッションや電力中央研究所に ICP-AES を貸してもらい、金属元素の植物体内中の濃度測定をする等の計画をしている。その他の学外向けの発表の予定としては以下のとおりである。なお、日本植物分子細胞生物学会金沢大会での一般講演については指導教官を通じて運営委員会の承認を得ている。

活動計画
2018 年 8 月
10 月
2019 年 2 月
3月
11 月

第 36 回日本植物分子生物学会大会にて研究成果を発表
本校文化祭にて研究成果を発表
東京理科大学の卒業論文発表会にて研究成果を発表
本校で開催される「研究成果報告会」にて研究成果を発表
バイテク情報普及会へ活動報告書を提出