古代植物におけるリグニン合成タンパク質の早期進化を発見

新しい研究の成果

2024年4月24日にThe Plant Cell誌に掲載されたこの新しい研究は、リグニンとその合成に関与する分子に焦点を当てた多年の研究に基づいています。2019年にリウ博士とその同僚は、Sリグニンの生成に不可欠な特定のシトクロムb5タンパク質、CB5Dを発見しました。今回の論文は「Cytochrome b5 Diversity in Green Lineages Preceded the Evolution of Syringyl Lignin Biosynthesis（シリンギルリグニン生合成に先立つ緑色系統におけるシトクロムb5の多様性）」と題されています。

リウ博士は、「CB5Dの役割の独自性に興味を引かれました。そのため、その起源と進化をさらに探求することにしました」と述べています。

酵素の協働

リウ博士のチームは、以前の研究でCB5Dがフェルラート5-ヒドロキシラーゼ（F5H）という酵素と特別なパートナーシップを持ち、共にSリグニンを合成することを発見しました。研究者らは、F5Hの進化がSリグニンの生成につながったことを知っていたため、CB5DもF5Hと共進化したと予想しました。

この仮説を検証するために、研究者らは遺伝子解析を行い、現代のCB5D遺伝子に似た遺伝子を持つ他の植物種を特定しました。進化的に古いものから新しいものまで21種の植物を特定し、これらの遺伝子を合成し、CB5D遺伝子を欠失させた現代の植物種に個別に発現させました。

ブルックヘブンのポスドク研究員であり、今回の論文の筆頭著者であるシャンハイ・ジャオ博士（Xianhai Zhao, PhD）は、「CB5D遺伝子がないと、植物はわずかな量のSリグニンしか合成しません。しかし、この機能が関連遺伝子の発現により回復すれば、その遺伝子は現代のCB5D遺伝子と同様の機能を持つと判断できます」と述べています。

研究者らは、500万年以上前に進化した緑藻種の遺伝子が、現代の植物でSリグニンの合成を回復させることを発見しました。これにより、その遺伝子はCB5D型の機能を持つことが示されました。また、その機能は初期の陸上植物、たとえば苔類や蘚類にも保存されていることがわかりました。
リウ博士は、「CB5Dが予想よりもはるかに早く進化していたことに驚きました。現代の電子受容体であるF5Hが、古代のタンパク質と協力して、新しい生化学的機械を開発したというのは非常に興味深いことです」と述べています。

次の研究ステップ

科学者らは、CB5D遺伝子とその古代のカウンターパートが同様のDNA配列と機能を持つことを確認しましたが、現代のCB5Dと同じ細胞内構造に発現していることを確認するため、ブルックヘブン研究所のDOE科学ユーザ施設である機能性ナノ材料センターの共焦点顕微鏡を使用しました。

古代の遺伝子が、現代の植物でSリグニンの合成と細胞内局在において同様の機能を持つことが確認された後、研究チームは、このタンパク質の古代の機能とそれが時間と共にどのように変化または拡大したかについてさらに調査を進めました。

分析の結果、CB5D型タンパク質は、陸上環境に移行する直前の水生藻類に出現したことが示されました。このタンパク質は初期の陸上植物に保存されていたため、1つまたは複数の重要な機能を果たしている可能性があります。

ジャオ博士は、「古代の植物である苔類はSリグニンを含んでいませんでした。では、CB5D型タンパク質がSリグニンの合成に関与していなかった場合、何をしていたのでしょうか？」と述べました。

リウ博士は、「これが研究の醍醐味です。1つの質問に答えることで、さらに興味深い質問が待っているのです」と語っています。

この研究はDOE科学局の支援を受けました。

この研究は、リグニン合成に関与するタンパク質が想像以上に早期に進化していたことを示し、植物の進化における重要な洞察を提供しました。今後の研究では、古代のCB5Dタンパク質の他の機能についてさらに詳しく調べることが期待されています。これにより、植物の進化とクリーンエネルギーへの応用に新たな視点がもたらされるでしょう。

[News release] [The Plant Cell abstract]