生物学者が植物のリズミカルな成長を制御する遺伝子を特定

2008 年 9 月 16 日

生物学者が植物のリズミカルな成長を制御する遺伝子を特定

2008 年 9 月 16 日

カリフォルニア州ラホーヤ – ソーク生物学研究所、カリフォルニア大学サンディエゴ校、オレゴン州立大学の生物学者チームは、植物が夜間に急激なリズミカルな成長を可能にし、葉が日陰になったときに植物が競争できるようにする遺伝子を特定した。他の植物によって。

研究者らは今週号のジャーナルで報告している PLoS生物学 これらの遺伝子は、植物成長ホルモン、植物の光センサー、概日リズムの複雑な相互作用を制御しており、植物がさまざまなレベルの光やその他の環境条件に応じて、一日または一年の特定の時間にリズミカルな成長スパートを受けることを可能にしているということです。

XNUMX世紀以上前にチャールズ・ダーウィンを魅了したリズミカルな植物の動きの遺伝的基礎を彼らが発見したことで、最終的に科学者たちは、今日最も生産性の高い品種よりも大幅に早く成長し、より多くの食料を生産できる作物を設計できるようになるかもしれない。

「この論文は、ほぼすべての植物遺伝子が一日の特定の時間帯にのみ発現されるというこれまでの発見に基づいています」とハワード・ヒューズ医学研究所の研究者は述べた。 ジョアン・チョリー、ソーク研究所の植物生物学研究室の教授であり、今回の研究を主導した博士。

「私たちが発見したのは、植物の成長を分子レベルで定義する実際の分子スイッチである可能性のある大量の遺伝子です」と、カリフォルニア大学サンディエゴ校生物科学部長で、研究者の一人であるスティーブ・ケイ博士は述べた。研究チームのリーダーたち。 「これらの遺伝的メカニズムと、それらがどのように植物の成長をオン/オフに切り替えるかを理解すればするほど、急速に増加する世界の人口に向けて食料と燃料の生産を増やすための、オーダーメイドの作物の設計がより上手になるでしょう。」

植物がさまざまな環境で生存を最大限に高めるためにどのように成長するかは、生物学者を長年魅了してきました。 1880年にチャールズ・ダーウィンが出版した 植物の動きの力、彼のあまり知られていない本の XNUMX つで、さまざまな種類の植物がさまざまな刺激に反応して成長し移動する方法についての研究について説明しています。

ほとんどの人は、植物は昼夜を通してゆっくりと一定の速度で成長すると考えているかもしれませんが、ダーウィンと他の研究者らは、植物は定期的に毎晩急激に成長し、夜明け前の数時間に植物の茎が最も速く伸びることを発見しました。 大豆もやしの成長のビデオは次のサイトでご覧いただけます。 http://www.biology.ucsd.edu/scicomm/video/bigbeansprout.mov

「植物は実際にリズミカルに成長します」とケイ氏は言います。 「ソルガムのような植物の中には、毎晩XNUMXセンチ以上伸びる能力があるものもあります。」

なぜ植物が夜間や夜明け前の時間帯にリズミカルに成長する仕組みを進化させたのかは謎である。 しかし、光の感知、植物ホルモン、概日リズムの同様の相互作用は、特定の季節中や他の植物の影になったときに植物の顕著なリズミカルな成長をもたらし、生存に明らかな価値をもたらします。

「成長している植物は、周囲で成長している植物と競争しなければならない状況にあります。そのため、競争できるように環境を測定する方法を開発する必要があります」とケイ氏は述べた。 「植物細胞はフィトクロムを持っています。フィトクロムは本質的に、さまざまな色の光の比率を測定する陰影検出器であり、曇りの日なのか、それとも他の植物の陰になっているのかを植物に伝えることができます。 そして、他の植物の影になるのは悪い知らせです。その植物は光合成に適した色の光をすべて食い尽くしているからです。 植物は日陰にあることを感知すると、成長ホルモンを分泌して伸長させます。 極端に言うと、芝生の上に何かを放置して、その周りの草が伸びてしまったときによくわかります。」

どの遺伝子がこれらのリズミカルな成長パターンを制御しているかを調べるために、研究チームは次のことに注目しました。 シロイヌナズナ、植物遺伝学者によって実験モデルとして使用される小さなカラシの植物。 なぜなら シロイヌナズナ他の多くの植物と同様、昼夜のサイクルにさらされる夜明け前の数時間に最も速く成長するため、科学者たちはその期間にどの遺伝子がオンになっているかを調べようとしました。 DNAマイクロアレイチップを使用することで、一度に数千の遺伝子を検査し、その期間にどの遺伝子が活性化していたかを調べることができた。

「私たちは何十万回もの測定を行いました」と筆頭著者のトッド・マイケル博士（ソーク大学の元博士研究員で、現在はワクスマン研究所とラトガース大学のゲノミクスと生物情報学の助教授）は語った。どの遺伝子がリズミカルにオンになっており、夜明け直前のこのリズミカルな成長パターンと相関しているのかと尋ねました。 私たちが発見したのは、大量の遺伝子がその周りに散らばっているということでした。 シロイヌナズナ ホルモン生合成、ホルモンシグナル伝達、ホルモン代謝を扱うゲノムはすべて、リズミカルな植物の成長と密接に相関しています。 このことから、この遺伝子セットが植物の成長を分子レベルで定義する実際の特徴である可能性があることがわかりました。」

科学者らによると、これらの異なる遺伝子は、光受容体によって制御されるヒンジを備えた門と、夜明け前に生物時計が開いて複数の植物成長ホルモンの波が細胞内で作用し、その後閉じる門のように、一緒に作用してリズミカルな植物の成長を調節しているという。ゲートは次の 24 時間サイクルまで植物の成長にブレーキをかけます。

「ホルモン経路のこの時間的統合により、植物は季節や日陰に応じた成長調節に合わせて植物ホルモン反応を微調整することが可能になる」と彼らは論文に書いている。 「成長を促進したり拮抗したりするホルモンの遺伝子を含む、多くの異なる植物ホルモン遺伝子が、植物が成長する時間帯に同時発現します」とチョリー氏は言う。 「これほど広範な遺伝子調節モジュールが存在することは非常に驚きでした。」

彼らのモデルを説明するために、科学者らは、体のリズミカルな成長の原因であると特定した遺伝子に、光る酵素、ルシフェラーゼを取り付けました。 シロイヌナズナ 植物。 植物がリズミカルな成長期を迎えるにつれて、 シロイヌナズナ 植物ホルモンのゲートの開閉を制御する遺伝子が活性化され、その後不活性化されると、植物は光ったり消えたりします。 ナレーション付きのビデオは次のサイトでご覧いただけます。 http://www.biology.ucsd.edu/scicomm/video/sprouts.mov

科学者らはまた、このリズミカルな夜明け前の成長に関与する遺伝子のほとんどが共通の DNA 配列、つまり「夜明けのホルモンアップ」の HUD 要素と名付けたマスターコントローラーを持っていることも発見した。 彼らは、この HUD 要素には、その機能を調節するタンパク質が付着している必要があると指摘しました。

「まだ見つかっていないので、それが何であるかわかりません」とケイ氏は言いました。 「タンパク質調節因子を特定することは、将来の重要な目標となるでしょう。なぜなら、そのタンパク質は植物の成長と収量を制御するために非常に重要になるからです。」

「生物学者にとって今は非常にエキサイティングな時代だ」とチョリー氏は付け加えた。「なぜなら、植物がどのように成長するのか、あるいは人間の代謝がどのようにおかしくなるのかなど、複雑なプロセスに関する疑問に答えるツールが今では存在するからです。」

他の共著者には、UCSD 博士研究員のギスラン・ブルトン博士とサミュエル・ヘイゼン博士、ゲノム生物学の助教授トッド・モクラー博士と大学院生のヘンリー・プリースト氏が含まれます。どちらもオレゴン州立大学です。

この研究は、ハワード・ヒューズ医学研究所、国立衛生研究所、国立科学財団からの助成金によって支援された。

カリフォルニア州ラホーヤにあるソーク生物学研究所は、生命科学における基礎的な発見、人間の健康の改善、次世代の研究者の育成に専念する独立非営利団体です。 ジョナス・ソーク医師は、1955 年にポリオ ワクチンによって難病のポリオをほぼ根絶しましたが、サンディエゴ市からの土地の贈与とマーチ オブ ダイムズの資金援助を受けて 1965 年に研究所を設立しました。