Leicaエクスペリエンスラボ

蛍光イメージングが切り開く、新しい農業の可能性。
植物が栄養素を取り込むメカニズムの解明。Case Studies

ライフサイエンス

蛍光色素や蛍光タンパクを用いて、細胞内の特定のタンパクや分子を可視化する蛍光イメージングは、今やライフサイエンスリサーチにおいて必須なツールとして発展を続けています。この「見えないものを可視化する」蛍光イメージングを利用して、植物の細胞内のタンパク質の局在や挙動を明らかにすることで、現在の農業の抱える問題を解決し、次世代の農業を切り開く可能性を創造する最先端の研究を紹介します。

 

植物細胞内のホウ酸濃度を制御する、2種類の輸送体の発見

hokudai_takanosensei_sp8_2_w9utif動くことのできない植物は、その土地の環境に適応していく必要があります。北海道大学農学研究院の高野順平先生らは、植物が土の中のホウ酸濃度を感知し、少ない時は積極的に吸収し、多い場合は取りすぎないように制御する仕組みを持っていることを発見しました。植物にとってホウ酸は細胞壁のペクチンを作るのに必要な栄養素ですが、過多になると細胞の中で他のものと結合して毒になってしまいます。高野先生らは、このホウ酸の吸収、制御をつかさどる吸収型と排出型の2種類の輸送体を世界で初めて発見し、その役割を解明しました。

 

 

 

吸収型と排出型、2種類の輸送体によってホウ酸を取り込む


植物の根の表皮の土に触れる面の細胞膜内には、吸収型の輸送体があり、この輸送体が土の中のホウ酸を細胞内に取り込みます。その細胞の反対側には、排出型の輸送体があり、細胞内のホウ酸をさらに奥の細胞に送り込みます。このようにして、土から吸収したホウ酸は、導管と呼ばれる根の中心に運ばれ、地上の茎や葉へと送られていきます。土のホウ酸濃度が低い場合には、この吸収型、排出型の両方の輸送体が増加することにより、植物は積極的にホウ酸を取り込みます。

 

 

 

 

あるべきところにあることが重要、輸送体の「偏在」

ここで重要なのが、輸送体の存在する場所です。高野先生らは、シロイヌナズナを使った実験で、根の細胞において吸収型が土に面した細胞膜に偏在し、排出型が根の中心側 に偏在することを発見しました。これら偏在によって、ホウ酸の輸送方向が決定され、土から根の中心に輸送されるのです。

mCherryでラベルしたNIP5;1 (吸収型)が外側に、GFPでラベルしたBOR1 (排出型)が中心部に偏在するのが見える。

 

 

 

 

 

 

 

 

ホウ酸過多から身を守る、排出型輸送体の分解

土の中のホウ酸濃度が高く、そのまま取り込んではホウ酸過多となる場合、植物はどのようにして、ホウ酸輸送をシャットオフするのでしょうか。「BOR1(排出型輸送体)にGFPをつけて観察したものですが、ホウ酸を与えてから時間が経つと分解されて見えなくなっています。植物はこのように周囲のホウ酸濃度を感知して、ホウ酸輸送体の量を巧みにコントロールすることで、適正量のホウ酸を利用していることがわかりました。ホウ素濃度が低い時には吸収型と排出型が両方増えて、輸送の方向を決めている。逆にホウ酸が沢山ある場合はそのまま運び続けると貯まって毒になるので、素早く分解する仕組みがある。その時に、輸送体はエンドソームを通って液胞に送られて分解される。現在は、これらのメカニズムを研究しています。どうやってホウ酸がきたことを認識して輸送体を分解してるのか、その仕組みの解明です。 輸送体自体がホウ酸と結合することで、自分の運命を決めているのではないか、輸送体兼センサーなのではないかと考えています。」と高野先生は話されます。

 

GFPでラベルしたBOR1が分解される様子

 

 

 

 

農業への応用、痩せた土地でも育つ植物を作りたい

高野先生らの研究は、実際にどのように農業に応用されるのしょうか。「肥料の原料であるリンやカリウムなどの鉱物資源には限りがあり、特にリンはもうすぐになくなると言われています。産出国が非常に限られており、輸出量の制限が始 まっています。また、日本の農業は肥料過多の場合が多く、リンや窒素が環境汚染の原因となっています。このような状況下で肥料の量を減らしていくことは非常に重要で、私たちがそのお手伝いができればと思っています。輸送体を応用して植物自体が少ない栄養素を効率よく吸収できるようになれば、少ない肥料で育てることができます。また、有害元素が多くて植物が育たないようなところでも育つ植物を作ることができます。有害元素が可食部に 入ってこない仕組みをつくることも可能です。さらには、偏在のメカニズムを応用して、輸送体をある程度人為的に意図した場所に置くことが可能になりつつあります。例えば、ヒ素を排出する輸送体を植物は持っていないのですが、酵母は持っています。これをうまく植物の表皮細胞の、かつ土に面した側に置いてやれば、ヒ素を排出した人間が食べられる植物を作ることができると思います。また、吸収型の輸送体を表面に置くことで土中の毒性物質を無理やり取り込んで、土をクリーンアップする植物をつくることもできるはずです。偏在のメカニズムを理解して、適材適所に輸送体を配置して環境に適応した植物を作ることが目標です。」と高野先生。

肥料原料の枯渇や肥料による環境汚染などの問題を解決し、痩せた土地でも実り豊かな植物を作る、最先端の遺伝子研究が農業を活性化させる日はもう間近です。

 

大阪府立大学 生命環境科学研究科 教授高野 順平先生

東京大学農学生命科学研究科 応用生命化学専攻 博士課程修了。 博士(農学)。東京大学生物生産工学センター、アメリカ・ウィスコンシン大学、北海道大学を経て、2016年より現職。 http://saibaiseirigaku.wix.com/crop-ecophysiology  

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