プレスリリース

植物体内時計の柔軟な環境適応能力を明らかに―植物栽培における体内時計の高度計測制御技術の開発に期待―

更新日:2017年10月5日

JST戦略的創造研究推進事業において、大阪府立大学で植物工場等、人工植物生産などの研究に関わる、工学研究科 福田 弘和(ふくだ ひろかず)准教授らの研究グループは、植物の体内時計が持つ柔軟な環境適応能力を明らかにしました。

今回、植物が体内時計をさまざまな刺激と同調させる詳しいメカニズムが明らかになり、植物体内時計の精密制御技術の開発や生育不安定性の解明につながると期待されます。

研究成果のポイント

  • 挙動を予測するのが困難だった、植物の体内時計の動作メカニズムを明らかにした。
  • 実験と理論の双方から、体内時計の環境応答の振幅依存性を明らかにした。
  • 本成果は植物体内時計の精密制御技術の開発や生育不安定性の解明につながると期待される。
体内時計のイメージ

 

私たち人間が時差ぼけから回復できるように、植物にも自身の体内時計をさまざまな周期の環境刺激に同調できる仕組みが存在することが知られています。しかしながら、体内時刻の計測の難しさなどもあり、その詳しいメカニズムは明らかになっていませんでした。

本研究グループでは、刺激に対する応答性を精密に計測できる新手法を開発し、植物がもつ幅広い同調性の詳細とそのメカニズムを明らかにすることに成功しました。モデル植物シロイヌナズナを用いて、同一個体にさまざまな周期の光刺激を複数回与え時計遺伝子CCA1(解説1)の発現リズムを観察することで、刺激に対する応答性の変化を精密に計測しました。その結果、個体レベルの概日リズム(解説2)の振幅が小さくなるほど、光刺激に対する応答が極度に強くなることを明らかにしました。また、この応答性の変化のメカニズムを、体内時計を構成する細胞集団の同期状態/非同期状態の変化として数理的に解明することにも成功しました。

本研究の成果は、植物工場(解説3)など人工栽培環境下における体内時計の精密制御技術の開発につながると期待されると同時に、過剰な応答性が引き起こすさまざまな生育不安定性の解明につながると期待されます。

本研究は、大阪府立大学工学研究科の増田 亘作(ますだ こうさく)研究員と立命館大学 理工学部の徳田 功(とくだ いさお)教授らと共同で行ったものです。

本研究成果は、2017年10月4日(米国東部時間)発行の米国オンライン科学雑誌「Science Advances」に掲載されました。

論文タイトル「Multicellularity enriches the entrainment of Arabidopsis circadian clock(多細胞性が植物の概日時計の同調性を強化する)」

用語解説

解説1 時計遺伝子CCA1

時計遺伝子は、概日時計の分子機構を担う遺伝子群を指す。シロイヌナズナの時計遺伝子としてはCIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED 1(CCA1)などがある。CCA1は朝方に発現量が最大になり、夕方に発現量が最小となる周期的な発現リズムを示す。

解説2 概日リズム

動物や植物など、さまざまな生物が示す約24時間周期の生体リズム。これを生み出す生理機構を概日時計、一般に体内時計と呼ぶ。生物のさまざまな代謝活動と密接な関係を持つとともに、光や温度変化に対して応答する性質を持つ。

解説3 植物工場

閉鎖的な環境で光や温度などを人工的に制御し植物を栽培する植物生産システム。天候に左右されず安定して食料を生産できる設備として注目を集める一方、現状では生産コストなどで課題がある。

本成果は、次の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)
研究領域:情報科学との協働による革新的な農産物栽培手法を実現するための技術基盤の創出
(研究総括:二宮正士 東京大学大学院農学生命科学研究科 特任教授)
研究課題名:精密環境オミクスデータに基づく植物生産不安定性の解明
研究者:(福田弘和 大阪府立大学大学院工学研究科 准教授)
研究期間:2015年12月~2019年3月

お問合せ先

大阪府立大学 植物工場研究センター(工学研究科 准教授 福田弘和)
〒599-8531 大阪府堺市中区学園町1番1号
Tel・Fax 072-254-6376
Eメール fukuda[at]me.osakafu-u.ac.jp [at]の部分を@と差し替えてください。