[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

既存の農薬で乾燥耐性のある植物を育てる

[スポンサーリンク]

 

現在地球上の人類の6人に1人が砂漠化の影響を受けていると言われています。科学的な見地からの砂漠を含めた乾燥地の緑化は、様々な意見があるとは思いますが、地球温暖化や食糧問題の解決のために推進すべき研究の1つだと思います。

さて、今回刻一刻と広がっている砂漠化に歯止めをかけれるかもしれない、乾燥耐性のある植物を育てる試みとして、新しい手法が報告されていましたので紹介したいと思います。

 

気孔ー植物の呼吸口

植物は気孔とよばれる2つの孔辺細胞にかこまれた小さな孔をもちます。植物は環境変化に応じてこの孔を開閉し、光合成に必要な二酸化炭素の取り込みや蒸散などの植物と大気間のガス交換を調節しています(図 1a)。この気孔の閉鎖を制御している植物ホルモンがアブシシン酸(ABA)です(図 1b)。乾燥ストレスをうけた植物はABAを生合成することで気孔を閉じ、体内からの水の蒸散量を抑え乾燥から身を守っています。

図1 a) 気孔とガス交換、b) ABAによる気孔閉口

図1 a) 気孔とガス交換、b) ABAによる気孔閉口

 

ABAの作用機序を解明する

ABAは今から50年以上前の1963年に発見されていましたが、ABAがどのタンパク質に作用して気孔の開閉に関与するのか全くの謎でした。

その作用機序を解明するために、受容タンパク質の単離に成功したのがABAの発見から50年以上を経た2009年。その理由は機能が重複した複数の受容体が存在するためでした。この冗長性を回避するため、米国カリフォルニア大学リバーサイド校の若手科学者Cutlerらのグループは化学遺伝的(ケミカルジェネティクス)スクリーニングにおいて、単一もしくは数個の受容体を標的とする分子(選択的アゴニスト)を用いることで同定を試みたのです。

詳細は述べませんが、CutlerらはABAの受容体タンパク質PYR1を初めて同定することに成功しました。[1]この研究により、PYR1によるABAの受容が気孔の閉鎖を引き起こすことが明らかになりました。

 

PYR1アゴニストの開発の難航

標的タンパク質が決まれば、高価で入手困難なABAにかわり、PYR1に結合して機能する小分子(PYR1アゴニスト)を作ることで、植物を乾燥から守ることができます。しかし、新しい農薬の開発と認可の獲得には通常、約10年以上の期間が必要とされており、早急な実現は困難でした。

一方で、入手容易で安全性が実証されている既存の農薬をABAの代わりにもちいることができれば、開発、認可を減ることなく、乾燥地帯での農業に大きく貢献できます。

 

PYR1を既存の農薬用に”改変する”

その方法の1つとして、Cutlerらは、PYR1のABA結合部位の立体構造を既存の農薬に合わせて新しく作りかえることで、既存の農薬をABAの代わりとして使うことを考えたのです。

しかし、「言うは易し、行なうは難し」が研究にはつきものです。

改変したPYR1がABAと結合してしまうと、植物が自ら産生するABAと農薬が競合してしまいます。そのため、目的とする改変タンパク質はABAと結合しないことが求められます。

これまでの研究で、59番目のリシン残基(59K)はABAのカルボン酸部位との結合に重要であることが知られていました。

彼らはリシン残基(59K)をアルギニン(R)に置換すると、ABAとの結合力が大きく低下することを見出しました。さらにリシン残基(59K)をアルギニン(R)に置換したPYR1(K59R)のアミノ酸残基をいくつか置換することで、ついに、ABAに結合しないが、mandipropamid(既存の市販農薬)には結合できるPYR1MANDIを開発することに成功しました(図2、図3)。[2]

 

図2. ABAとPYR1の結晶構造(左図)、mandipropamideとPYR1MANDIの結晶構造(右図)

図2. ABAとPYR1の結晶構造(左図)、mandipropamidとPYR1MANDIの結晶構造(右図)

 

図3ABAとPYR1が結合すると脱リン酸化酵素PP2Cと複合体を形成し、PP2Cの脱リン酸化活性を阻害する。a) yeast-two hybrid法を用いたmandipropamide-PYR1MANDI-PP2C形成の評価。複合体が形成されると酵母が青く染まる。 b) PYR1MANDIとmandipropamide存在下のPP2C脱リン酸化活性の評価。c)Pull-down アッセイ。HisタグのついたGFP-PYR1MANDI融合タンパク質とGFP-PP2C融合タンパク質を共発現させたタバコを用いて、葉の抽出液からアフィニティ精製したタンパク質をSDS-PAGEによって分離し、GFP抗体を用いてPYR1とPP2Cを検出している。

図3ABAとPYR1が結合すると脱リン酸化酵素PP2Cと複合体を形成し、PP2Cの脱リン酸化活性を阻害する。a) yeast-two hybrid法を用いたmandipropamid-PYR1MANDI-PP2C形成の評価。複合体が形成されると酵母が青く染まる。 b) PYR1MANDIとmandipropamid存在下のPP2C脱リン酸化活性の評価。c)Pull-down アッセイ。HisタグのついたGFP-PYR1MANDI融合タンパク質とGFP-PP2C融合タンパク質を共発現させたタバコを用いて、葉の抽出液からアフィニティ精製したタンパク質をSDS-PAGEによって分離し、GFP抗体を用いてPYR1とPP2Cを検出している。

 

PYR1MANDIの能力はいかに?

開発したPYR1MANDIを遺伝子組み換え技術によりトマトとシロイヌナズナにそれぞれ導入し、得られた遺伝子組み換えトマトとシロイヌナズナを用いてmandipropamid存在下での葉の温度を測定したところ、気孔が閉鎖し蒸散量が低下したことに由来する温度上昇が観測されました(図 4a,b)。さらに、乾燥環境下におけるPYR1MANDIの組み換えシロイヌナズナの生育を観察したところ、mandipropamid存在下で優れた乾燥耐性が確認されました (図 4c)。

 

図4. a) PYR1MANDIの組み換えシロイヌナズナを用いた、mandipropamide存在下での葉温測定。b) PYR1MANDIの組み換えトマトを用いた、mandipropamide存在下での葉温測定。c) PYR1MANDIの組み換えシロイヌナズナを用いたmandipropamide存在下での乾燥耐性の評価。

図4. a) PYR1MANDIの組み換えシロイヌナズナを用いた、mandipropamid存在下での葉温測定。b) PYR1MANDIの組み換えトマトを用いた、mandipropamid存在下での葉温測定。c) PYR1MANDIの組み換えシロイヌナズナを用いたmandipropamid存在下での乾燥耐性の評価。

 

今後の展開

もちろん遺伝子組み換えですので、食物に使うことは憚られます。そのため、主なターゲットは砂漠の緑化など食べない植物になります。今後、彼らの開発した技術による乾燥地の緑化と農業開発への展開を期待したいとお思います。

 

関連文献

  1. Sang-Youl Park et al. Science 2009 DOI: 10.1126/science.1173041
  2. Park, S.-Y.; Peterson, F. C.; Mosquna, A.; Yao, J.; Volkman, B. F.; Cutler, S. R. Nature 2015, DOI: 10.1038/nature14123

 

外部リンク

bona

投稿者の記事一覧

愛知で化学を教えています。よろしくお願いします。

関連記事

  1. HTML vs PDF ~化学者と電子書籍(ジャーナル)
  2. ノルゾアンタミンの全合成
  3. アザジラクチンの全合成
  4. ご注文は海外大学院ですか?〜渡航編〜
  5. 2017年始めに100年前を振り返ってみた
  6. Nature 創刊150周年記念シンポジウム:ポス…
  7. 島津製作所がケムステVシンポに協賛しました
  8. 常温・常圧で二酸化炭素から多孔性材料をつくる

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. Whitesides教授が語る「成果を伝えるための研究論文執筆法」
  2. 武田薬の糖尿病治療薬、心臓発作を予防する効果も
  3. タンパクの骨格を改変する、新たなスプライシング機構の発見
  4. 電池長寿命化へ、充電するたびに自己修復する電極材
  5. AIを搭載した化学物質毒性評価サービス「Chemical Analyzer」の販売を開始
  6. アゾベンゼンは光る!~新たな発光材料として期待~
  7. EUで化学物質規制のREACHが施行
  8. 学生実験・いまむかし
  9. ランタノイド Lanthanoid
  10. Spin-component-scaled second-order Møller–Plesset perturbation theory (SCS-MP2)

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2015年4月
 12345
6789101112
13141516171819
20212223242526
27282930  

注目情報

注目情報

最新記事

第173回―「新たな蛍光色素が実現する生細胞イメージングと治療法」Marina Kuimova准教授

第173回の海外化学者インタビューは、マリナ・クイモヴァ准教授です。インペリアル・カレッジ・ロンドン…

Biotage Selekt のバリュープライス版 Enkel を試してみた

Biotage の新型自動フラッシュクロマトシステム Selekt のバリュープライ…

【9月開催】第1回 マツモトファインケミカル技術セミナー 有機チタン、ジルコニウムが使用されている世界は?-オルガチックスの用途例紹介-

■セミナー概要当社ではチタン、ジルコニウム、アルミニウム、ケイ素等の有機金属化合物を“オルガチッ…

超分子ランダム共重合を利用して、二つの”かたち”が調和されたような超分子コポリマーを造り、さらに光反応を利用して別々の”かたち”に分ける

第407回のスポットライトリサーチは、千葉大学大学院 融合理工学府 先進理化学専攻 共生応用化学コー…

セレンディピティ:思いがけない発見・発明のドラマ

hodaです。今回は1993年に刊行され、2022年7月に文庫化された書籍について書いていき…

第29回 ケムステVシンポ「論文を書こう!そして…」を開催します

コロナ禍による規制も少しずつ緩和されてきて、逆にオンライン会議が逆に少し恋しくなっている今日この頃か…

マテリアルズ・インフォマティクス活用検討・テーマ発掘の進め方 -社内促進でつまずやすいポイントや解決策を解説-

開催日:2022/08/24 申込みはこちら■開催概要近年、少子高齢化、働き手の不足の影…

高分子固体電解質をAIで自動設計

第406回のスポットライトリサーチは、早稲田大学 先進理工学部 応用化学科 小柳津・須賀研究室の畠山…

スクショの友 Snagit

スクリーンショット(スクショ)は、手軽に画像や図をコピーすることができ、資料作成などにおいて便利な機…

第28回Vシンポ「電子顕微鏡で分子を見る!」を開催します!

こんにちは、今回第28回Vシンポの運営&司会を務めさせていただくMacyです、よろしくお願い…

Chem-Station Twitter

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP