京都産業大学生命科学部 木村成介教授らの研究グループは、水陸両生植物Rorippa aquatica（ロリッパ・アクアティカ）を用いて、植物ホルモン・エチレンの働きにより、水没という環境変化が機敏に感知され、葉の気孔の形成にかかわる遺伝子の発現が抑制されるという「気中葉から水中葉への運命転換の仕組み」を突き止めました。
今回の研究成果により、植物に備わっている能力を用いることで、環境変動下でも持続的に生産が可能な農業の実現につながることが期待されます。

リリース日：2023-01-25

「Rewiring of hormone and light response pathways underlies the inhibition of stomatal development in an amphibious plant Rorippa aquatica underwater」
（水陸両生植物Rorippa aquaticaの水没に応答した気孔分化抑制のメカニズムは、陸生祖先種の植物ホルモン応答経路と光応答経路を再配線（つなぎかえ）することで獲得された）

• 水陸両生植物Rorippa aquaticaは、水没により逃げ場を失った植物ホルモン「エチレン」が体内に蓄積されることで環境の変化を機敏に感知することがわかった。
• 生理学的解析および次世代シークエンサーを使った遺伝子発現解析により、水没時の非常に迅速な「気中葉から水中葉への運命転換の仕組み」を解明した。特に、Rorippa aquaticaでは水中生活につながる進化の過程において、陸上で生育する植物が持つエチレン応答経路や光応答経路がつなぎかわり、水没時に葉の表皮の気孔の形成に関わる遺伝子の発現を抑制する仕組みを獲得したことを明らかにした。
• 植物に備わっている環境の変化に機敏に応答する仕組みを知ることは、気候変動から植物を護る方法や、環境が変化しても生産性が落ちない農作物の実現を考えるうえで有用な手がかりになる。

京都産業大学の池松朱夏博士研究員、木村成介教授、名古屋大学の鳥居啓子主任研究者・客員教授らの共同研究グループは、水陸両生植物Rorippa aquatica（ロリッパ・アクアティカ）を用いて、植物ホルモン・エチレンの働きにより、水没という環境変化が機敏に感知され、葉の気孔の形成にかかわる遺伝子の発現が抑制されるという「気中葉から水中葉への運命転換の仕組み」を突き止めました。
本研究成果は、植物に備わっている能力を用いることにより、環境変動下でも継続的に生産が可能な農業の実現につながることが期待されます。Cell プレス社が発行する国際学術雑誌Current Biology（2023年1月25日付（日本時間） ）に掲載されました。

今から約4億5千万年前、水中藻類の一部が分岐し、陸地に進出し始めました。これが現在、陸地に繁栄している陸上植物の起源です。陸上植物は、その進化の過程で、陸上の乾燥に耐えるため、「クチクラ」と呼ばれる脂質ポリマーで自らの体を囲うようになり、また、光合成に必要な二酸化炭素を取り込むために、葉に「気孔」と呼ばれる穴を開けるようになりました。したがって、陸上植物を水没させると、気孔が塞がれ、空気の出し入れ（ガス交換）が出来なくなるため枯れてしまいます。
一方、陸上植物が再び水に進出したグループがいます。それが水草 です。多くの水草は、厚いクチクラ層を持たず、気孔も作りませんが、表皮からの拡散によってガス交換をすることができます。これによって水草は、水中でも光合成ができるのです。
さて、植物種の中には、陸上でも水中でも生育できるグループがいます。これを「水陸両生植物（amphibious plant）^※1」と呼びます。水陸両生植物は河川や湖沼などの水辺に生育し、水没すると水草のように、また干上がると再び陸上植物のように生育することができます。アブラナ科植物の一種である「Rorippa aquatica^※2(以下R. aquaticaと略称)」は北米大陸原産の水陸両生植物で、水没すると葉身を細くし、気孔発生を抑制します。そうすることで、水中生活に適した葉を発生させるのです（図1）。
しかし、水陸両生植物が水没という環境変化を感知して、どのように気孔発生を抑制しているのかは、これまでわかっていませんでした。

気中（陸上）で生育させたR. aquaticaは、気孔を持った葉（気中葉）を作ります。一方、水中で生育させたR. aquaticaの葉を観察すると、気孔がありませんでした（図1）。
そこで我々は、気中で育てたR. aquaticaを水没させて、葉がどのように変化するかを経時的に観察してみました。その結果、成長中の若い葉のでは気孔の発生が抑制され、気中葉から水中葉へ運命転換が行われていること、また、この「気孔発生の抑制」は水没直後におこっており、4日後には葉の表皮における気孔の密度が明らかに低下していることがわかりました。
通常、一度葉にできた気孔を無くすことはできません。R. aquaticaにおいても、気中葉として完成している成熟した葉は、気孔を減らして水中葉になることはできません。しかし、未成熟な成長中の葉は、水没させればすぐに水中葉へ変化できるのです。そして、この素早い変化により、R. aquaticaは、水没しても問題なく成長を継続することができるのです（図2）。

本研究では、R. aquaticaの気孔発生が抑制される仕組みを詳しく知るために、水没後にどのような遺伝子が働いているかを調べました。分析にあたっては、「RNA-seq解析^※3」を利用しました（図3）。気孔は植物の重要な器官で、発生のメカニズムの詳細はすでに知られています。
これまでの研究で、若い葉の未分化な表皮細胞において、SPCHやMUTEなどの遺伝子が発現し、これによって気孔が分化することが分かっていました。我々の行った遺伝子発現解析の結果、R. aquaticaは水没1時間でこれらの遺伝子の発現を抑制し始め、24時間後にはほとんど発現しなくなることがわかりました。つまり、このことが水中での気孔の発生を抑制する直接の原因であったわけです。遺伝子発現のレベルでみると、水中葉への運命転換が1時間以内というのは、非常に早い応答であると言えます。

それでは、R. aquaticaはどのように水没を感知しているのでしょうか？
我々の研究で、これには植物ホルモンである「エチレン^※4」が決定的な役割を果たしていることがわかりました（図4）。
エチレンは、気体として働く植物ホルモンです。RNA-seq解析の結果を見てみると、水没直後にエチレンにより制御される遺伝子の発現が大きく変動していました。そこで、気中で育てているR. aquaticaにエチレンを作用させたところ、気孔の発生が抑制されました。
気体のエチレンは、植物を水没させると逃げ場を失って植物の体内に蓄積されます。通常の陸上植物ではエチレンが作用しても気孔の発生は抑制されませんが、R. aquaticaは、進化の過程でエチレンのシグナル経路を再配線して（つなぎかえて）、水没時にSPCHやMUTEの遺伝子発現を抑制できるようになっているのです。
また、今回の実験で我々は、R. aquaticaを暗所で水没させても気孔発生が抑制されないことを発見しました。R. aquaticaを、さまざまな波長の光が当たる環境においたところ、赤色光が当たっていない環境では水中葉は作られませんでした（図4）。また、赤色光がエチレンの合成を促進していることも、RNA-seq解析から裏付けられました。
以上から、我々は「赤色光の働きで合成されているエチレンは、植物が水没すると体内に蓄積し、SPCHとMUTEという気孔発生に必要な遺伝子の発現を抑制することで、水中葉への運命転換が素早く起こる」ことを突き止めました。
このように水中葉形成のメカニズムを分子レベルで明らかにしたのは、世界で初めての成果です（図5）。R. aquaticaはキャベツや菜種と同じアブラナ科植物です。比較的近縁の種であるモデル植物シロイヌナズナでは、エチレンや赤色光の応答経路の詳細が分子レベルで分かっています。しかしながら陸上植物であるシロイヌナズナは、水没してもエチレンや赤色光によってR. aquaticaのように気孔の形成が抑制されることはありません。したがって、シロイヌナズナの応答経路と今回の研究結果を比較することで、水陸両生植物の進化において、ホルモンや光の応答経路の再配線が重要な役割を果たしていたであろうと考えられます。

本研究で、水陸両生植物が水没などの環境変動にどのように応答しているのか、その一端を明らかにすることができました。
近年、地球温暖化など大規模な環境変動が人類を脅かす危機として顕在化しています。今後の研究により、生物の、水位の変動が激しい環境への適応機構や、水環境への適応機構が明らかになれば、その成果は、陸上生態系の保護や、変動環境での農業生産性の向上などに寄与できるでしょう。

地面に根を張っている固着性の生活をしている植物は、環境の悪化などから逃げることができません。植物には静的なイメージがあるので、周囲の環境の変化に動的に応答しているようには感じないかもしれませんが、実は、移動できないからこそ、環境の変化に機敏に応答することで生き抜いているのです。本研究では、植物がどのように水没を感じ取り、気孔発生を抑制しているかを明らかにすることができました。今回の成果を取っ掛かりにして、植物がいかに巧みに環境変化に応答しているのか、さらに研究を進め、将来的に地球温暖化などへの対策にもつながる成果を出していきたいと思っています。

図5 本研究の成果のモデル
R.aquaticaはエチレンシグナルによりSPCH, MUTE遺伝子の発現を抑制できる新たな経路を獲得している。このような経路は近縁のモデル植物であるシロイヌナズナには存在しない。R. aquaticaは、陸上で生育する場合エチレンが体外の空気へと漏出するため一般的な陸上植物と同様に気孔を多数持つ気中葉を展開する。一方で水没すると、水中では体内にエチレンが蓄積することでエチレンシグナルが活性化される。 SPCH, MUTE遺伝子の発現が抑制されるため、気孔を持たない水中葉が分化する。さらに、水没を引き金にエチレンの合成が増加すること、これを赤色光が促進することで迅速な水没応答が実現している。

論文タイトル	Rewiring of hormone and light response pathways underlies the inhibition of stomatal development in an amphibious plant Rorippa aquatica underwater （水陸両生植物Rorippa aquaticaの水没に応答した気孔分化抑制のメカニズムは、陸生祖先種の植物ホルモン応答経路と光応答経路を再配線（つなぎかえ）することで獲得された）
掲載誌	国際学術誌  Current Biology　（Impact Factor: 10.834）
掲載日	2023年1月25日（水）午前 1：00（日本時間）
著者	（1筆頭著者、2責任著者） 1Shuka Ikematsu, Tatsushi Umase, Mako Shiozaki, Sodai Nakayama, Fuko Noguchi, Tomoaki Sakamoto, Hongwei Hou, Gholamreza Gohari, 2Seisuke Kimura, 2Keiko U. Torii
DOI	10.1016/j.cub.2022.12.064.

• 木村成介：京都産業大学生命科学部産業生命科学科／京都産業大学植物科学研究センター教授
• 池松朱夏：京都産業大学生命科学部産業生命科学科 博士研究員
• 馬瀬樹志：京都産業大学生命科学部産業生命科学科 元大学院生
• 塩崎真子：京都産業大学生命科学部産業生命科学科 元学部生
• 中山壮大：京都産業大学生命科学部産業生命科学科 元学部生
• 野口楓子：京都産業大学生命科学部産業生命科学科 元学部生
• 坂本智昭：京都産業大学生命科学部産業生命科学科 博士研究員
• Hongwei How：中国科学院水生生物研究所 教授
• Gholamreza Gohari：マラーゲ大学（イラン）園芸学部 教授
• 鳥居啓子：テキサス大学オースティン校分子細胞生物学ハワードヒューズ医学研究所 教授（ジョンソン・エンド・ジョンソンセンテニアル冠教授）／名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所（WPI-ITbM） 主任研究者・客員教授

※所属先は2023年1月13日現在

本研究は、文部科学省および日本学術振興会の科学研究費補助金（17H06476, 18H04844, 18H04787, 21H02513）、文部科学省の私立大学戦略的研究基盤形成支援事業（S1511023）の支援を受けて実施しました。