植物が栄養の過剰摂取を防ぐ仕組みを解明
環境分子生物学系の三輪京子准教授の研究グループは、植物の無機栄養の1つであるホウ素の取り込み機構について、過剰摂取を防ぐ仕組みを解明して論文発表しました。この成果は北大のプレスリリースでも紹介されています。以下、三輪先生と第一著者である大学院生・相原いづみさんによる解説です。
私たち動物が食べ物から栄養を摂取するように、植物は土壌から、無機栄養とも呼ばれるミネラルを取り込んで生きています。ホウ素は無機栄養の一つであり植物が生きる上で必要不可欠ですが、過剰に存在すると毒性を示します。そのため、植物はホウ素を取り込む仕組みを作ると同時に、過剰な取り込みを防ぐ仕組みを作る必要があったと考えられます。
植物においてホウ素はBOR1という輸送体タンパク質を通して体内に取り込まれます。BOR1タンパク質はホウ素の濃度が高いときには分解されることが分かっていました。今回の研究で、ホウ素が過剰に存在する環境では、植物はBOR1タンパク質を「分解」するだけでなく、「合成の抑制」も行うことを明らかにしました。
生物の体で、機能をもつ分子であるタンパク質はDNAの情報を元にして「DNA→（転写）→メッセンジャーRNA→（翻訳）→タンパク質」というように転写と翻訳というステップを経て合成されます。私たちの研究グループは、この翻訳という段階がBOR1ではホウ素濃度の高いときに抑制されることを示しました。このホウ素濃度に応答した翻訳抑制のしくみとして、mRNAの上流部分である5′非翻訳領域内に存在する小さい上流ORF（upstream open reading frame）が引き起こすことを明らかにしました。
また、この翻訳の抑制はタンパク質の分解よりも高いホウ素濃度条件で引き起こされます。これは、ホウ素が毒性を示すレベルで存在し明らかにBOR1が必要でない環境では、BOR1タンパク質を作っては壊すという制御よりも、そもそもの合成を停止させようとする働きであると考えられます。
さらに、「分解」と「合成の抑制」の両方の制御を失った植物体は、ホウ素濃度が高い実験条件で著しい生育阻害を示しました。これは、BOR1タンパク質の量を減少させる二つの制御を失ったため、根に蓄積したBOR1タンパク質が過剰なホウ素を体内に取り込んでしまったためです。これにより、この二つの制御が植物が高濃度のホウ素環境に適応するために貢献していることを実証しました。
この研究は植物が土壌中の無機栄養環境に適応するために、複数の制御機構を利用して輸送体タンパク質の量を緻密に制御していることを示しました。このように植物が外部の栄養環境に適応するしくみを理解することで，栄養が枯渇した環境や過剰に存在する劣悪な土壌環境にも耐える作物品種の選抜や開発につながることが期待されます。
発表論文: Izumi Aibara, Tatsuya Hirai, Koji Kasai, Junpei Takano, Hitoshi Onouchi, Satoshi Naito, Toru Fujiwara, Kyoko Miwa (2018) Boron-dependent translational suppression of the borate exporter BOR1 contributes to the avoidance of boron toxicity. Plant Physiology 177: 759-774.（http://www.plantphysiol.org/content/177/2/759）