化学的な調整により、植物はダメージからより早く回復できる可能性がある

多くのアマチュア園芸家が証言するように、一部の植物が自らの一部を再生する能力は、かなり驚くべきものです。茎の一部を切り取ってコップ一杯の水に入れると、まったく新しい野菜ができます。しかし、微生物学的レベルでは、植物学者は、これらの切り傷に対して、植物は再生と防御の 2 つの反応のどちらかを選択することを発見しました。Developmental Cellに掲載された新しい研究では、植物相を防御ではなく再生に向かわせることで、急速な成長を促進できるかどうかが調査されています。

植物が何らかの形で傷つけられると、体内の化学物質を使って修復したり、自らを守ったりするさまざまな方法がある。しかし、研究の著者らが指摘するように、この反応は通常、この 2 つの間を行き来する。たとえば、植物はそれぞれ、折れた枝を再生したり、動物を追い払う毒素を生成して自らを守ったりすることができる。

これら 2 つの反応が順番に起こるのか、あるいは防御が常に再生の前に起こるのかを解明するために、研究者たちは植物の生物学を操作して一方に傾けることを試みました。化学反応を操作して、シロイヌナズナとトウモロコシが再生に集中する時間を延長しようとしました。

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ニューヨーク大学の生物学教授で、この研究の著者の一人であるケネス・バーンバウム氏によると、この研究はいくつかの中心的な疑問から始まったという。植物は自分が傷ついたことをどうやって知るのか？そして、傷から再生までの初期段階はどのようなものなのか？これらの疑問に取り組むために、研究チームは植物のDNAそのものに焦点を当て、傷ついた後の最初の数時間でそれがどのように変化するかを観察した。

生物学者は、シロイヌナズナのような2本の茎を持つ双子葉植物と、トウモロコシのような1本の茎を持つ単子葉植物に焦点を当てることで、2つの主要な植物の種類について結果を提供することができた。研究者らは、シロイヌナズナ（別名シロイヌナズナ）から始めた。シロイヌナズナは再生力があり、微生物学者に人気の実験ツールである（全ゲノム配列が決定された最初の植物である）。ベルギーのゲント大学の植物バイオテクノロジー教授で、この研究には関わっていないリーベン・デ・ベイルダー氏によると、シロイヌナズナには細くて透明で間隔の開いた根があり、分析が容易だという。

バーンバウム氏は、植物のグルタミン酸受容体のようなタンパク質が、まるで戦闘態勢を整えているかのように防御機構を強化し始めたことを発見したと語る。人間の脳にあるグルタミン酸受容体に類似したこれらの分子は、代謝やその他の目的でアミノ酸を感知する。また、植物が傷ついたときに防御機構を強化する。

植物のグルタミン酸受容体のようなタンパク質は、細胞にカルシウムを大量に送り込むことで機能し、細菌や真菌などの病原体によって防御が破られたときに、小さな働き者に迅速に行動するよう指示します。研究者は当初、カルシウムが細胞に再生を開始するよう信号を送っていると考えていましたが、実際には細胞は防御を強化するよう指示されていることが分かりました。

ビルナバウム氏は、これまでは両方の反応は互いに密接に関連していると想定していたという。しかし、今回の研究で受容体を操作することで、植物は実際にはそれぞれの反応を分離できることがわかった。

これを検証するために、著者らは 2 つの異なるプロセスで受容体を活性化しました。1 つの方法は、メリーランド大学のホセ・フェイホが研究している遺伝子操作された受容体を使用するというものでした。研究者らは、通常の植物の損傷反応を、反応を抑制するようにグルタミン酸受容体様タンパク質遺伝子 4 つを改変したサンプルと比較しました。その結果、「4 重変異体」植物は再生の増加を示しました。

しかし、遺伝子変異を扱うには多くの未知の要素が伴うとバーンバウム氏は言う。そこで研究チームは、発見を確認するために、人間の神経生物学的研究から応用した化学処理を用いて、植物受容体の反応を阻害した。

バーンバウムは、受容体がカルシウムを放出するのを化学的に阻止することで、防御反応を減らし、再生反応を短期間で増加できることを発見した。アラビドプシスとトウモロコシの両方で、再生時間は2倍になった。再生の成功は、根を再生する能力やカルスと呼ばれる幹細胞構造などのテストによって測定された。

しかし、最大のテストは、受容体の阻害が単子葉植物と双子葉植物の両方に効果があるかどうかを調べることでした。「驚いたことに、多くの点で、両方の部門で同様にうまく機能しました」とバーンバウムは言います。彼にとって、これは防御シグナル伝達が植物の品種間で同じように機能することを意味します。

「それは、たとえば人間と鳥の間で保存されている何かを見ているようなものです」と彼は指摘する。

理論的には、再生能力を高めることで、気候変動に対する主要作物の回復力を高めることができる。トウモロコシや砂糖などの作物の大部分はすでに遺伝子組み換えされているため、これはそれらを改良してより丈夫にするもう一つの方法にすぎないとバーンバウム氏は言う。

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問題は、トウモロコシやモロコシなどの最も重要な作物の一部は、再生能力が比較的低いことです。これらの植物の再生時間を長くすれば、より大きな被害を受けた場合でも再生能力を高めることができます。

デ・ヴェイルダー氏は、細胞構成の違いなど、トウモロコシの再生を困難にする理由は数多く考えられると指摘する。樹木との比較では、傷を負っても再生できない種はたくさんあるという。しかし、もしそれが変われば、生物多様性の増大、収穫量の増加、食糧不安の軽減、さらに効率的な炭素捕捉など、人類は多くの恩恵を受ける可能性がある。

しかし、デ・ヴェイルダー氏は、特にこれらの研究結果を他の種類の作物に当てはめるという点では、早まった行動には注意を促している。「ほとんどの人は、イノベーションに必要な要素を理解しようとしているだけです」と同氏は言う。「まだ初期段階だと思います。人々は、作物に取り組む前にまずツールボックスを手に入れたいのです。」