植物はどのようにして環境条件の変化に素早く適応するのか

植物はどのようにして環境条件の変化に素早く適応するのか

ソークの科学者は、競合する植物の樹冠の陰がわずか XNUMX 分で細胞の変化を引き起こすことを発見しました

ラホーヤの科学者や園芸家は、近くに生える植物の日陰があると植物がより高く成長し、より早く花を咲かせることを長年知っていました。 今回、ソーク研究所の研究者らは、このプロセスの詳細な内部動作を初めて明らかにした。

この研究は、17 年 2021 月 XNUMX 日に発表されました。 ネイチャージェネティクス、遺伝子活動がどのように植物の成長を導くか、そして光の条件の変化によりわずか XNUMX 分で分子変化が引き起こされるなど、植物が環境にどのように迅速に反応するかについて、新たな理解を提供します。 この研究結果は、気候変動により地球上の耕地が縮小する中、収量を増やして世界の食糧生産を守る方法についての洞察を提供する。

「この論文は、植物が細胞レベルでの微妙な環境変化にどのように反応するかを高解像度で示しています」と共同連絡著者は述べています。 ジョアン・チョリー、ソーク植物分子細胞生物学研究所の所長、ハワード・ヒューズ医学研究所の研究者、植物生物学のハワード・H.およびマリアム・R.ニューマン・チェアの保持者。 「気候変動の影響が強まるにつれて、植物がより大きな環境ストレスにどのように適応できるかを明らかにする研究が重要になるでしょう。」

日陰にある植物は、樹冠を突破してより多くの光に到達しようとして、より速く、より高く成長します。 同時に、日陰の生育条件により、他の植物と競争するために、通常よりも早く開花して種子が生成されます。 これらの反応は、牧草地で生育する野生の花には役立つかもしれませんが、農場では生産量が減り、苦くて低品質の作物が生まれる可能性があります。レタスが枯れてしまった庭師なら誰でも知っているでしょう。

新しい研究では、研究者らは、この成長反応の活性化における特定の転写因子の役割に注目しました。 転写因子は、DNA に結合することによって遺伝子のスイッチをオンまたはオフにするタンパク質です。

研究チームは、PIF（PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR）と呼ばれる転写因子を欠く変異実生を対象に研究を行った。 これらの植物を日陰を模倣した環境で育てたところ、特定のPIFを持たない植物は伸びたり成長速度を速めたりすることはなく、あたかも完全な日光の下にいるかのように正常に成長し続けました。 以前、チョリー研究所は、PIF7 が日陰による成長の制御において最も重要な役割を果たすことを示しました。

次に研究者らは、このプロセスにおけるヒストンの役割、特にヒストン変異体 H2A.Z を詳しく調べました。 ヒストンは、DNA 鎖の糸巻きのように機能するタンパク質です。 ヒストンが交換または修飾されると、特定の遺伝子を活性化または抑制するように機能します。

研究者らは、林冠の陰が PIF2 の DNA 結合を介して成長調節遺伝子のヒストン H7A.Z を除去し、その結果発現を活性化することを発見した。

研究者らは、非常に短い時間間隔で実験を行うことにより、植物が樹冠の陰になってから最初の 7 分以内に PIF2 が活性化され、その標的遺伝子に結合し、H5A.Z の除去が開始されることを発見しました。

「私たちの研究は、植物が環境の変化に応じて遺伝子発現をどのように変化させるかについての機構的理解に向けた新たな一歩を示しています」と共同連絡著者は述べています。 ジョゼフ・エッカー、ハワード・ヒューズ医学研究所の研究者であり、ソークのゲノム分析研究所の教授。

以前の研究では、PIF と H2A.Z が高温にさらされた植物の反応において重要な役割を果たしていることが特定されていました。 しかし、出来事のタイミングは不明だった、と共著者でハワード・ヒューズ医学研究所チョーリー研究室の研究専門家ビョルン・ヴィリゲ氏は指摘する。

「私たちの研究はメカニズムを詳細に明らかにし、反応の迅速な性質も示しています。 私たちは、PIF7 が活性化すると DNA に結合することを発見しました。 そして私たちのデータは、これが DNA からの H2A.Z の除去につながることを示しています。 その後、遺伝子が活性化され、近隣の植物と競争するために成長が誘導されます」とウィリゲ氏は言う。

このプロセスの速さは予想外だったと、共著者でラトガース大学ワクスマン微生物研究所助教授のマーク・ザンダー氏は言う。 同氏は、XNUMX分以内にストレス反応を引き起こすことに加えて、日陰がなくなるとヒストンの景観も急速に回復すると指摘した。

「日陰を取り除くと、PIF2 標的遺伝子の H7A.Z レベルは 30 分以内に正常に戻りました」と彼は言います。 「そのプロセスのダイナミックさに驚きました。これが私たちの研究の優雅さの基盤なのです。」

PIF は植物の成長、発育、害虫防御において重要な役割を果たします。 したがって、チームは、彼らの発見が、特に植物の気候変動に対する回復力を高めることに関連して、農家にとって重要な他の植物の反応に応用できることを期待しています。 ソーク研究所の 植物のイニシアチブを活用する 炭素を捕捉し貯蔵する植物の自然な能力を最適化することで、気候変動の解決に貢献しようとしています。

この研究の他の著者は、オクラホマ州立大学のChan Yul Yoo氏でした。 エイミー・ファン、レニー・M・ガーザ、シェリー・A・トリッグ、ユペン・ヘ、ジョゼフ・ネリー、ソークのフアミン・チェン。 カリフォルニア大学リバーサイド校のMeng Chen氏。

この研究は、国立科学財団、米国エネルギー省、ゴードン・アンド・ベティ・ムーア財団、国立衛生研究所、ハワード・ヒューズ医学研究所、欧州分子生物学機関、ヒューマン・フロンティア・サイエンス・プログラムおよびドイツ科学財団の支援を受けた。

DOI： 10.1038/s41588-021-00882-3