土に埋もれても大丈夫！苗の持つ「予備の力」の仕組みを解明

米国科学財団（NSF）の支援を受けたこの研究は、2024年12月10日に学術誌『Current Biology』に掲載され、苗がどのように周囲の光を検知し、自身の成長戦略を決定するのかについて新たな理解をもたらしました。このオープンアクセスの論文のタイトルは、「Separate Sites of Action for cry1 and phot1 Blue-Light Receptors in the Arabidopsis Hypocotyl（シロイヌナズナ胚軸における青色光受容体cry1とphot1の異なる作用部位）」です。

 これまで研究者たちは、光受容体が、苗が十分な日光に達したことを検知し、茎の伸長を止め、エネルギーを生産するための光合成を開始するタイミングを知らせる役割を持つことを知っていました。しかし、これらの光受容体が苗のどこで作用しているのかは不明で、その結果生じる現象を研究するためには植物全体を観察する必要がありました。「私たちは、これらの光受容体の効果が茎全体に及ぶわけではなく、異なる光受容体が茎の異なる領域を制御していることを初めて突き止めました」と、ウィスコンシン大学マディソン校の植物学名誉教授であるエドガー・スポルディング氏（Edgar Spalding）は説明します。

この研究では、暗闇で発芽した苗が伸長する様子を高感度カメラで撮影し、どの部分の細胞が伸びているかを映像で解析しました。青色光を当てると、まず１つの光受容体（phot1）が茎の主要部分の伸長を直ちに停止させます。その後、茎の最上部で起こるはずだった次の伸長期が、別の光受容体であるクリプトクロム-1（cry1: cryptochrome-1）によって素早く抑制される様子が観察されました。これは、さらなる伸長のための貴重なポテンシャルを「予備」として保持するためだと考えられます。 

スポルディング名誉教授は、博士課程の学生であるジュリアン・バスタマンテ氏（Julian Bustamante）とデータサイエンティストのネイサン・ミラー氏（Nathan Miller）と共に、遺伝子操作によって特定の光受容体の効果を分離し、高感度カメラで小さな苗の成長を撮影しました。そして、その写真を機械学習と大学の高性能コンピューティング資源を用いて分析し、それぞれの光受容体が茎のどの部分の成長を制御しているかを特定したのです。

植物が健全に初期成長を遂げる「スタンド確立」は、作物の成功を左右する重要な指標です。この成長の脆弱な時期に、光受容体がどのように貢献しているかを正確に理解することは、農家と研究者の双方にとって大きな関心事です。

植物は発芽するために茎を伸ばして土を突き破り、光受容体が光合成で自らのエネルギーを生成できる十分な日光を検知するまで成長します。それまでは、種子に蓄えられた限られたエネルギーと栄養素に頼らなければなりません。

 苗が土から出た後、風で飛んできた土や動物などによって再び覆われてしまうことがあります。十分な日光がなければ、光受容体は植物に光合成によるエネルギー生産ができないことを知らせます。しかし、クリプトクロム-1（cry1）と呼ばれる光受容体のおかげで、苗の物語はそこで終わりません。

 スポルディング名誉教授のチームは、cry1が植物の茎の上部の伸長を制御するだけでなく、植物が再び日光の下に戻るための重要な役割も担っていることを発見しました。

 植物が最初に発芽する際、cry1は植物が完全に伸びきるのを止め、エネルギーと茎の長さをいくらか予備として保存させます。そうすることで、苗が再び覆われてしまったときに、この光受容体が植物に信号を送り、もう一度土の上に出るまで茎を伸長させることができるのです。

研究者たちはこの新しい知識を利用して、cry1の役割を強化するように種子を遺伝的に改変し、脆弱な作物が再び覆われた際に再出現するために必要な予備の伸長力とエネルギーを確保できるかもしれません。 

スポルディング名誉教授は、この研究が将来の作物改良研究の焦点を絞り込み、より収益性の高い収量を生み出す、回復力のある植物の創出に貢献することを期待しています。 

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