オーキシンは100年ほど前にチャールズ・ダーウィンが発見した小分子の植物ホルモンである。以来長年の間にオーキシンはもっとも重要でもっとも幅広い機能を持った植物ホルモンだということが明らかにされてきた。オーキシンは、ダーウィンが発見した芽の向日性だけでなく、新しい葉、花、根などの形成、根の生長、重力屈性など植物の成長と発生のほとんどすべての面を統御している。
オーキシンのような小さな分子が植物でそれほど重要な役割を果たしていることは何十年にもわたって植物生物学者を悩ませてきた。10年ほど前には細胞核にオーキシン受容信号伝達系が発見されたが、依然としてオーキシンの幅広い役割を説明することができなかった。しかし、最近になってUniversity of California (UC), Riversideの植物細胞生理学者チームが新しいオーキシン受容信号伝達複合体を発見した。この複合体は細胞核ではなく、細胞表面に集まっていた。研究チームは、「この発見で、オーキシンの作用機序に新しいヒントが得られた」と述べており、Department of Botany and Plant Sciencesの細胞生物学教授、Dr. Zhenbiao Yangは、「この発見はオーキシン生物学の新しい出発点となるものであり、この分野への関心が高まるかも知れない。
私たちの研究で植物の細胞外オーキシン受容体の存在を突き止めた。その存在は以前から仮説として出されていたがこれまで確認されていなかった。さらに、オーキシン結合タンパク質のABP1が植物の発生過程を統御する機序は何十年も謎だったが、私たちの研究でそれがようやくつかめた」と述べている。
ABP1は40年以上前に発見されていたがその作用機序がつかめないため、最近になってDr. Yangの研究チームが解明するまで、植物生物学者の間でその役割について議論が絶えなかった。また、同研究チームは、細胞表面のオーキシン受容体が「膜貫通受容体キナーゼ (TMKs)」 に関わっていることも明らかにした。これはすべての真核生物に存在する酵素で、一般的には細胞外刺激の細胞表面センサとして機能し、その刺激を細胞内反応に翻訳するものである。この研究には関わっていないが、UC Riversideの著名な植物細胞生物学教授、Dr. Natasha Raikhelは、「細胞表面ABP1/TMKオーキシン受容体の発見は画期的で、オーキシンが果たしている幅広い役割に対する理解が飛躍的に深まった。
この信号メカニズムは、オーキシンに統御された様々な発達の過程やパターンの基礎になっている分子メカニズムを説明するパラダイムとなるものだ。
植物の発生と形態形成、植物の信号エネルギー変換の分野で研究チームは大きな影響をもたらしたが、それだけでなく、Dr. Yangによって、植物遺伝子を書き替えることで望み通りの植物の形態的特性や成長パターンを得る新しい方法が加えられた」と述べている。この研究論文は2014年2月28日付「Science」誌に掲載されている。
Dr. Yangの研究室では、シロイヌナズナの葉表皮でジグソー・パズルのコマのような形をした敷石細胞形成の分子メカニズムを研究してきた。シロイヌナズナは小さな顕花植物で、植物のモデル生物として植物生物学研究室でよく用いられている。この表皮細胞の互いに入り組んだ形状のおかげで、平らで薄いシロイヌナズナの葉も物理的な強度と一体性を保つことができる。
この研究室の過去の研究で、オーキシンが、ABP1とABP1依存の「ROP GTPase」を通してジグソー・パズル形状の細胞形成を引き起こすことが突き止められている。この「ROP GTPase」は細胞表面から入ってくる信号を受けたり、止めたりする分子スイッチの役割を持つ重要な調節タンパク質である。
しかし、ABP1が細胞表面オーキシン受容体なのかどうかは明かではなかった。また、ABP1がROP GTPaseを活性化する機序も明かではなかった。Dr. Yangは、「私たちは、細胞表面でTMKグループがABP1と物理的にも機能的にも相互作用を及ぼし合い、オーキシン信号を感知、変換することを突き止めた。私たちの研究で、細胞表面でABP1とTMKが新しくオーキシン受容複合体を形成し、TMKが、細胞膜すぐ内側にあるROP GTPaseに細胞外オーキシン信号を伝達することを証明した。
このようなオーキシン受容信号複合体が、ジグソー・パズルのコマのような形をした葉表皮細胞の形成やその他の様々なオーキシン媒介のプロセスを可能にしている」と述べている。
Dr. Yangの研究チームは、細胞表面のオーキシン感知複合体には他にも何らかの分子が加わっているか、細胞表面のオーキシン・センサーで調節されるパスウエーの特定、また植物が細胞核と細胞外双方にオーキシン・センサーを必要とするのはなぜかなどの解明を目指した研究を計画している。
この研究には、UC Riverside、National University of Singapore、Chinese Academy of Sciences、University of Wisconsin、ベルギーのGhent University、オーストリアのInstitute of Science and Technology、University of North Carolina, Chapel Hill、チェコ共和国のMasaryk Universityの研究者も参加している。
■原著へのリンクは英語版をご覧ください:Plant Breakthrogh: Auxin Sensing and Signaling Complex Discovered on Plant Cell Surface
