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トマトの生育生理を制御する植物ホルモンの調節に関する研究

松尾, 哲 神戸大学

2021.03.06

概要

トマトは国内で最も産出額が大きい重要な野菜であるが、単位面積当たりの収量は施設園芸先進国のオランダと比較して大きく劣り、国際競争を生き抜くには、収量を増加させ、収益性を向上させることが必須である。現在、トマトは年間を通して栽培されているが、日本の幅広い気候条件で収量を確保するには、不良環境下でも果実を安定して形成させることや本圃栽培に適した苗を年中安定して生産することが重要である。このためには、植物成長調節剤の使用や栽培環境調節、多収や単為結果性品種の育成により、植物の生育を人為的に制御する必要がある。本研究は、トマト等の果実発達や形態形成に影響する植物ホルモンの制御機構を明らかにし、生育調節につなげるための基礎的知見を得ることを目的として実施した。

トマト果実形成におけるサイトカイニンの調節と役割(第2章)
 トマトの果実は、雌ずいの基部の子房が発達したものであり、果実成長は、受粉とそれに続く受精によって始まる。受粉後、子房では細胞分裂が活性化し、その後細胞が肥大し、急速に果実が肥大する。この細胞分裂と細胞肥大の促進には、植物ホルモンが大きく関与している。サイトカイニンは、頂芽優勢や維管束系発達に関与する植物ホルモンであるが、合成サイトカイニンのベンジルアミノプリンやホルクロルフェニュロン(CPPU)処理がウリ科果菜類等の果実を肥大させることから、果実形成に重要な働きを持つと考えられている。しかしながら、サイトカイニンのトマトでの知見は少なく、着果促進のための植物成長調節剤としても使用されていない。本章では、トマトの果実発達における内生サイトカイニン定量とその調節に関わる遺伝子群の解析を行うとともに、外生的なサイトカイニン処理が果実形成に及ぼす影響を解析し、その役割と調節機構を明らかにすることを試みた。
 内生サイトカイニンのうち、イソペンテニルアデニンとリボシド型サイトカイニン濃度は、開花当日の子房で高く、その後減少したが、trans-ゼアチンは、開花後も上昇し、5日後にピークとなった。同様に、サイトカイニン生合成酵素遺伝子のSlIPT3, SlIPT4, SlLOG6, SlLOG8の発現は、開花当日の子房に高く、受粉後減少したが、別の生合成酵素遺伝子のSlIPT1, SlIPT2, SlCYP735A1, SlCYP735A2, SlLOG2は、受粉後に上昇し、5日後にピークとなった。このことから、内生サイトカイニンは、受粉前の子房発達と受粉後の果実肥大に関与し、分子種で役割が異なると考えられた。さらに、合成サイトカイニンのCPPUを子房に処理すると、果実が肥大した。この果実果皮の細胞層数は、受粉で肥大した果実と同等であったが、細胞の大きさは受粉果実よりも小さいことから、CPPU処理による果実肥大は、主に細胞分裂促進によるためと考えられた。また、CPPU処理は、果柄の道管や篩管を肥大させた。果実発達には、水分や養分、光合成産物が果柄の維管束系を通して果実に輸送されることが重要であるが、サイトカイニンがこれらの組織の発達に関与していると考えられた。以上のことから、サイトカイニンは、トマトの受粉前の子房発達、果実発達初期の細胞分裂促進と果柄発達に関与していることが示唆された。

トマト果実形成におけるオーキシンの調節機構(第3章)
 トマトの果実形成制御において、オーキシンは主要な役割を持つ物質であり、合成オーキシンの4-クロロフエノキシ酢酸等は、植物成長調節剤として着果促進に用いられている。合成オーキシンは、濃度や処理時期が果実生産に影響することから、内生オーキシン(IAA)の動態を把握することは、植物成長調節剤の効果的な利用に重要である。本章の研究は、オーキシン代謝酵素遺伝子群の解析や内生IAA関連物質定量により、卜マト果実発達期の内生オーキシン制御機構を明らかにすることを試みた。
 子房の内生IAA濃度は、開花当日に低いが、開花3日後に上昇し、その後低下した。植物のIAA生合成は、前駆体の違いにより複数の経路が存在すると想定されており、その一つのトリプトファン(Trp)から合成されるインドールピルビン酸(IPyA)は、果実発達初期においてIAAと同様の動態を示した。また、IPyAを介する経路(IPyA経路)に関与する生合成酵素をコードする遺伝子のSlTAR2, ToFZYl, ToFZY2およびToFZY5の発現は、IAAやIPyAの内生量と同様に開花3日後に上昇した。これらの結果は、開花後早期のIPyA経路の活性化による内生IAAの増加が、果実発達を促進することを示唆している。一方、オーキシン不活性化酵素造伝子のSGH3-9とSlGH3-15の発現は、未受粉の子房で高く、受粉後低下したことから、これらは受粉前の過剰なIAA蓄積を抑制していると考えられた。さらに、未受粉の子房へ合成オーキシンの2, 4-Dを処理すると、受粉と同様に、SlTAR2, ToFZYl, ToFZY2とToFZY5の発現が上昇し、SlGH3-9とSlGH3-15の発現が低下した。以上の結果は、受粉や外生オーキシン処理によるオーキシンシグナル上昇は、子房のさらなるIAA蓄積を促進させることを示しており、受粉に応答して急激にIAAが増加する機構が存在することを示唆している。

トマト苗の成長における光質とジベレリン代謝機構(第4章)
 トマトの栽培において、苗の状態は収量に大きく影響する。現在は大型施設等で周年栽培が行われており、生産現場では継続的に高品質苗が供給されることが求められている。苗生産はハウス等で行われてきたが、現在は光や温度を制御し、年問を通して効率的栽培が可能な閉鎖型植物生産システムでも行われている。苗栽培では、輸送や定植作業への影響から、徒長抑制等の形態制御が重要である。徒長抑制には、ジベレリン(GA)生合成を阻害する植物成長調節剤のウニコナゾールやバクロブトラゾール処理の効果も期待できるが、これらは果実肥大等に影響する可能性がある。一方、光質は形態形成を制御する環境要因の一つであり、人工照明を用いた閉鎖型植物生産システムではその調節が可能である。以前の研究で、赤色光単独LEDで生育したトマ卜苗の茎長は、青色光単独や靑と赤を混合したLEDで生育したものよりも大きくなること、また、青色光強度が、茎長を負に制御することが確認されていた。本章の研究では、光質変化がトマト苗の茎伸長に及ぼす分子メカニズムを明らかにすることを目的とした。
 青色と赤色の割合を変化させた条件で生育したトマト苗の活性型のGA4の内生濃度は、赤色光単独では他の光条件よりも高かった。また、赤色に対する靑色の比率を上昇させたところ、GA不活性化酵素遺伝子のSlGA2ox7の発現が上昇した。さらに、この発現量は、靑色光の強度および苗の茎長と高い相関を示した。この結果は、青色光強度の上昇は、GA不活性化を促進し、それによる活性型GA低下が、茎伸長に影響することを示唆している。また、GA生合成酵素造伝子のSlGA3ox3の発現は、赤色光単独下の苗において、他の条件よりも10倍以上高かった。この結果は、赤色光単独下では、青色光が不足し、GA生合成促進により過剰に茎伸長することを示している。以上の結果から、トマト苗の茎伸長は、青色光と赤色光の変化によるGA代謝の制御により調節されることが示唆された。

ナス科果菜類の単為結果性機構(第5章)
 第3章までに示したように、果実発達は通常は受粉とそれに続く受精の後に起こるが、この過程は高温などの環境不良により阻害され、果実が形成されなくなる。一方、植物には受粉無しでも果実が肥大する単為結果性を示す系統が存在し、その利用は収位の安定につながると考えられている。これまでにトマ卜やナスでこの形質を持つ系統が確認されているが、種子が得られにくいなどの欠点があり、広く利用されていない。本章の研究は、新奇単為結果性ナス変異体pad-1を解析し、単為結果品種育成のための知見を得ることを目的とした。
 ナスの花の受粉を阻害すると、野生型の果実は肥大しないが、pad-1変異体では受粉した場合と同等の肥大を示した。未受粉の子房の内生IAAを定量したところ、pad-1変異体には野生型の約6倍の濃度が含まれており、これが単為結果性の原因と考えられた。マップベースクローニングにより、単為結果性の原因候補遺伝子を単離したところ、野生型の遺伝子Pad-1は、シロイヌナズナのVAS1遺伝子と相同性が高く、アミノ基転移酵素をコードしていた。大腸菌に発現させた組換えPad-1タンパク質は、オーキシン生合成酵素TAAl/TARsが触媒する反応の逆反応のIPyAからTrpへの変換を触媒した。Pad-1の発現は子房発達とともに増加し、開花当日にピークとなり、開花後低下したことから、受粉前の子房のIAAの過剰蓄積を阻害し、肥大を抑制する役割を持つと考えられた。さらに、トマトやピーマンのPad-1オルソログの抑制は、これらの植物に単為結果を誘導した。本章の結果は、Pad-1遺伝子の機能抑制が、ナス科果菜類の単為結果性品種の育成に利用できることを示唆している。

 以上、本研究では、植物ホルモン関連物質の定量分析や代謝酵素遺伝子群の発現解析、植物ホルモンの外生処理、単為結果変異体解析等により、トマト等の果実発達や形態形成に影響する植物ホルモンの制御機構を明らかにし、それらの役割を考察した。これらの成果は、トマト等の栽培における植物成長調節剤使用法の改良や栽培環境の調節、品種育成などに貢献できるものと考えられる。

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