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自然に学ぶ研究事例

第82回植物の成長戦略に学ぶ大型作物の創出
エネルギー・環境技術
植物資源
トマト果実の大型化に挑戦
細胞分裂を行わず、DNAを倍加させることで細胞を大きくし、成長を遂げる植物の特殊な能力。 環境にすばやく対応して生き残るために身に着けた、 植物の成長戦略に学ぶ大型作物の創出とは?
トマトへのILP遺伝子導入
トマトへのILP遺伝子導入

無菌発芽させたトマトの子葉にILP遺伝子を導入して培養すると、カルスという細胞の塊ができ(切り抜き写真右)、それぞれのカルスから新しい個体が生えてシュート(茎と葉、切り抜き写真左)を形成。さらに発根したものを土に植えて育てる。鉢植えの写真は、ILP遺伝子を導入したトマト。

通常、植物は核と細胞の分裂を繰り返すことによって細胞の数が増え成長していきます。ところが、生育に必要な光が不足した環境下で、植物は光を求めて、急速に茎を伸長しなければなりません。そうした状況下で植物は、細胞分裂を行わずに1つ1つの細胞を大きくすることで短期間に早く成長を遂げることができるのです。これは、エンドリデュプリケーションと呼ばれる成長の仕組みで、細胞分裂を伴わないDNAの複製が繰り返し起こっていることを示しています。

 

細胞内のDNAが複製されて2倍になり、通常は細胞が分裂することで1つの細胞内のDNA量は変化がありません。ところが、エンドリデュプリケーションでは細胞分裂が行われず、もともと細胞内に存在する2セットのDNAが、4セット、8セット、16セットという具合に倍々に増えていくため、しばしば細胞サイズが増大することが確認されています。また、DNAは生体内における生理活性物質をはじめとするさまざまな物質生産に関わるため、DNA量が多くなればなるだけ有用物質の生産能力が高くなると考えられるのです。

 

シロイヌナズナという研究用のモデル植物から、このエンドリデュプリケーションを制御する遺伝子(ILP)が発見されています。そして、その遺伝子を導入することで、果実を大型化したトマトをつくろうという研究が行われています。トマトには、ガンや脳血栓などの原因となる活性酸素を除去するリコピンをはじめ、カリウム、カロテン、ビタミン類などの有用物質が多量に含まれていますが、エンドリデュプリケーションで、大きな果実をつくることにより、その増産が期待できます。

 

そして、この技術がさまざまな作物に応用できるようになれば、世界的な食糧問題にも貢献できるのではないでしょうか? 同時に、植物による薬やバイオエネルギー生産などにも、新たな道を拓く大きな可能性を秘めているのです。

本橋令子 准教授

静岡大学大学院 農学研究科

環境問題や食糧問題に遺伝子組換え技術で貢献する
光合成における葉緑体の研究は、日本でも活発に行われ多くの知見が蓄積しています。では、そもそも葉緑体はどうしてできるのか? そこに興味をもち、葉緑体を含む細胞内小器官であるプラスチドに関連する機能解明を続けています。たとえばトマトの実では、細胞中のプラスチドは、最初は葉緑体で光合成を行い、その後、カルテノイドをつくり色がオレンジから赤へと変わっていきます。その過程でプラスチドは葉緑体からクロモプラストに変わりますが、現在、そこに関わる遺伝子やメカニズムの解明も行っています。 果実を大きくするという研究もそうですが、植物による物質生産の仕組みを高度に利用するという点で、環境問題や食糧問題においてもプラスチド(葉緑体)はますます重要になると思います。遺伝子組換え技術は安全性の確保が重要であり、この研究は始まったばかりですが、社会に役立つ技術に育てたいですね。
  *ILP遺伝子は理化学研究所の吉積毅氏らによって発見されたものです。

トピックス
エンドリデュプリケーションの代表的な事例として紹介されることが多いのは、モヤシです。モヤシは豆類などの種子をくらい所で発芽させてつくりますが、明るい所で発芽させたものに比べて格段に茎が長くなります。そして、長い茎と短い茎を比べてみると縦に並んだ細胞の数は同じであることが確認されているのです。われわれの先人達は、植物が生き残るために身に着けた特殊な能力を上手く農業生産に利用してきたということになります。 またトマト果肉内部のゼリー状の部分は、細胞分裂せずにエンドリデュプリケーションを繰り返し、細胞が大きく成りすぎて形を維持できなくなったためと考えられているそうです。
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