東京大学と理化学研究所の共同研究グループは、イネにおいて高温ストレス耐性を向上させる新たな方法を開発しました。 イネを含め植物はストレスにさらされると、ストレスに対する耐性を高め、その環境に適応するために、さまざまな遺伝子を発現させその働きを活性化させることが知られています。このようなストレス耐性を高める遺伝子の発現を通常よりもさらに強く上昇させることで、植物のストレス耐性を向上させることができるのではないかと考えられています。しかし、ストレス耐性の獲得は植物の生長とトレードオフの関係にあり、植物のストレス耐性を強めると多くの場合生育や収量に悪影響が見られます。 今回、東京大学大学院農学生命科学研究科の篠崎和子教授らの共同研究グループは、上記のように遺伝子の発現をコントロールするために、シロイヌナズナのDPB3-1というタンパク質に着目して研究を行いました。DPB3-1はシロイヌナズナで働く転写調節因子であり、DPB3-1を多く作るシロイヌナズナでは高温ストレス耐性が向上することが明らかになっています。このDPB3-1をイネに導入した結果、高温ストレス耐性を高めるさまざまな遺伝子の発現が向上しており、イネの高温ストレス耐性が高まっていることが明らかになりました。また、DPB3-1を導入しても、ストレスのない条件でのイネの生育や収量に悪影響を与えないことも確認されました（図1）。 本研究をさらに応用していくことで、温暖化による気温上昇や熱波などで農作物の収量が低下することを防ぐ技術が開発されることが期待されます。

近年、地球温暖化により世界各地で平均気温の上昇が確認されています。また、温暖化が進行することで、熱波などの極端な高温ストレス環境が引き起こされやすくなることが予測されています。実際に、このような極端な高温の気象条件は世界各地で観測されており、大きな農業被害が報告されています。継続的な平均気温の上昇や一過的で極端な高温条件に対する耐性の高い農作物の開発は、農業全体の重要な課題の一つとなっています。

本共同研究グループは、これまでにモデル植物であるシロイヌナズナの転写調節因子DPB3-1の働きを明らかにしてきました。植物はストレスにさらされると、ストレスに対する耐性を高めるために、さまざまな遺伝子の働きを活性化させ、それらの発現を上昇させることが知られていますが、そのような遺伝子の発現制御は転写因子（注2）によって行われています。そのような転写因子の機能をコントロールするのが転写調節因子であり、DPB3-1は、シロイヌナズナにおいて高温ストレスに関わる遺伝子の発現を制御するDREB2A転写因子の機能を強化させることが明らかになっています。DPB3-1を多く作るシロイヌナズナでは、DREB2A転写因子の機能が強化されることで、遺伝子の発現がより強く上昇し高温ストレスに対する耐性が向上しました。

本共同研究グループはDPB3-1の2つの性質に着目しました。1つはDPB3-1が植物の生育に与える影響です。これまでにも、植物のストレス耐性を向上させるさまざまな技術が開発されていますが、ストレスに対する耐性を高めた植物では、ストレスのない条件下で生育不良となる例が多く報告されています。これはストレスのない条件であるにもかかわらず、ストレス時に発現が上昇するような遺伝子が活性化してしまっているためです。一方DPB3-1は、高温ストレス時にDREB2A転写因子の機能を向上させる働きしか持たないため、ストレスのない条件では植物の生育に影響を与えません。もう1つの有用な性質はDPB3-1とDREB2Aの生物種間の保存性です。さまざまな植物のゲノムを調査した所、農作物を含め多くの陸上植物が、シロイヌナズナのDPB3-1とDREB2Aに良く似たタンパク質を持っていることが明らかになりました。このことは高温ストレス時に、DPB3-1がDREB2Aの機能を強化させるシステムが多くの植物種で保存されていることを示唆しています。

本共同研究グループは、まず保存性を確認する実験を行いました。イネが持っているシロイヌナズナのDPB3-1、DREB2Aに似た因子は、それぞれOsDPB3-2、OsDREB2B2と呼ばれています。相互作用実験や転写活性化実験を行った結果、DPB3-1がDREB2Aの機能を強化させるのと同様に、DPB3-1あるいはOsDPB3-2はイネのOsDREB2B2転写因子と結合し、その機能を強化させることが確認されました。そこで、DPB3-1を導入したイネを作出し、高温ストレスを与えた所、多くの高温ストレス時に活性化される遺伝子の発現がさらに上昇しており、高温ストレスに対する耐性が向上していることが明らかになりました（図2）。また、ストレスのない条件では、予測通りに植物の遺伝子の発現は変化しておらず生育や収量にも影響は見られませんでした（図3）。興味深いのは、高温ストレス時にDPB3-1の効果で発現が上昇した遺伝子を調べた所、OsDREB2B2が制御すると考えられるもの以外の遺伝子も多く含まれていた点です。このことは、高温ストレス時にDPB3-1がOsDREB2B2以外の未知の転写因子の機能も強化して高温耐性を上昇させていることを示唆しています。

今回の研究により植物の生育や収量に悪影響を与えることなく、高温ストレスへの耐性を向上させる新たな方法が示されました。生物種間の保存性を考えると、この方法はシロイヌナズナ、イネ以外の農作物にも広く応用可能であることが期待されます。実際に今回の研究で、DPB3-1はダイズにおいてDREB2Aに相当するGmDREB2A;2転写因子の機能を強化できることも明らかになりました。今後はダイズを含めより多くの植物種で同様の実験を行い、より実際の農業に近い条件で高温ストレス耐性を評価して行く予定です。