トウモロコシの乾燥・高温ストレス応答性遺伝子発現を制御する転写因子ZmDREB2Aを用いた環境ストレス耐性植物の作出

要約

シロイヌナズナのDREB2A遺伝子は植物の乾燥と高温の両方のストレス耐性の獲得に働くが、合成されたままでは活性を示さず翻訳後の活性化を必要とする。これに対して、トウモロコシZmDREB2Aタンパク質は活性化を必要とせず、ストレスによるmRNAのスプライシングによって機能が調節されていた。スプライシング後のZmDREB2A cDNAを導入した植物では、乾燥と高温ストレスに対して高いレベルの耐性を示した。

背景・ねらい

植物は劣悪な環境になると、多数の耐性遺伝子群を働かせることにより耐性を獲得して適応している。これらの環境ストレスに対する耐性の獲得機構で働く転写因子は、一度に多数の耐性遺伝子を制御して、高い耐性を植物に付与するため重要な有用遺伝子と考えられる。シロイヌナズナにおいて、乾燥や高温ストレス耐性の獲得に機能している転写因子は、ストレス誘導性のDREB2Aであることが明らかにされている。本研究課題では、単子葉植物であり重要な穀物でもあるトウモロコシを用いてDREB2Aの相同性遺伝子を単離し、環境ストレス耐性獲得における機能の相違点や類似点を明らかにして、環境ストレス耐性作物の分子育種への応用のための基礎データを得ることを目的としている。

成果の内容・特徴

  1. シロイヌナズナのDREB2A遺伝子に最も高い相同性を持つトウモロコシのEST配列をもとに、RT-PCRによりZmDREB2A cDNAを単離した。
  2. ZmDREB2A cDNAには長鎖型(ZmDREB2A-L)と短鎖型(ZmDREB2A-S)が存在したが、プロトプラストを用いたトランジェント発現解析でZmDREB2A-Lがコードするタンパク質は活性を持たないことを示した。
  3. ZmDREB2Aの発現は低温、乾燥、塩、高温ストレスによって誘導され、これらのストレスにより、活性型であるZmDREB2A-Sの存在比が増加した。これらのストレスが加わることによってスプライシングが起こり、ZmDREB2A-LはZmDREB2A-Sに変換すると考えられた。
  4. トランジェント発現解析により、シロイヌナズナのDREB2Aタンパク質は翻訳後の活性化を必要とするが、トウモロコシのZmDREB2Aタンパク質は活性化を必要としないことを示した。
  5. シロイヌナズナ中で、恒常的発現を制御するCaMV35Sプロモーターを用いてZmDREB2A-Sを過剰発現すると、多くの乾燥ストレス誘導性遺伝子が高発現して乾燥ストレス耐性が顕著に向上したが、同時に生育の遅延も生じた。
  6. 生育の遅延を抑えて乾燥耐性を向上させるため、ストレス誘導性のRD29Aプロモーターを用いてZmDREB2A-Sをシロイヌナズナ中で発現させると、乾燥耐性が向上するとともに野生型と同様の生育を示した(図1)。
  7. ZmDREB2A-Sを過剰発現したシロイヌナズナは高温ストレス耐性も示した(図2)。
  8. 高温ストレス応答性遺伝子の発現は、非ストレス条件下でZmDREB2A-S過剰発現シロイヌナズナにおいて増加していた(図2)。

成果の活用面・留意点

  1. ZmDREB2A 遺伝子は、乾燥・高温ストレス耐性作物開発のための有用な遺伝子として利用できると期待される。
  2. ZmDREB2A遺伝子はトウモロコシ等の単子葉植物も含めた多くの作物種に利用できると考えられる。

具体的データ

  1.  

    図1 RD29Aプロモーターを用いてZmDREB2A-Sを過剰発現したシロイヌナズナ形質転換体(3種のライン)の生育
    図1 
    RD29Aプロモーターを用いてZmDREB2A-Sを過剰発現したシロイヌナズナ形質転換体(3種のライン)の生育(a)、導入遺伝子の発現解析(b)、乾燥ストレス耐性試験(c)(Qin et al. 2007 参照)。
  2.  

    図2 ZmDREB2A-Sを過剰発現したシロイヌナズナ形質転換体(35S:ZmDREB2A-S、3種のライン)の高温ストレス耐性試験
    図2 
    ZmDREB2A-Sを過剰発現したシロイヌナズナ形質転換体(35S:ZmDREB2A-S、3種のライン)の高温ストレス耐性試験(a)、高温ストレス処理後の生存率(b)、ノーザン法による高温ストレス誘導性遺伝子の発現解析(c)。
所属

国際農研 生物資源領域

分類

研究

予算区分
交付金〔ストレス耐性機構〕等
研究課題

植物の環境ストレス耐性機構の解明と耐性作物の開発

研究期間

2006年度(2004~2011年度)

研究担当者

( 生物資源領域 )

柿本 真之 ( 生物資源領域 )

佐久間 ( 生物資源領域 )

圓山 恭之進 ( 生物資源領域 )

篠崎 和子 ( 生物資源領域 )

ほか
発表論文等

Qin, F., Kakimoto, M., Sakuma, Y., Maruyama, K., Osakabe, Y., Tran, L.-S. P., Shinozaki, K. and Yamaguchi-Shinozaki, K. (2007): Regulation and functional analysis of ZmDREB2A in response to drought and heat stresses in Zea mays L. Plant Journal 50, 54-69.

Yamaguchi-Shinozaki, K. and Shinozaki, K. (2006): Transcriptional regulatory networks in cellular responses and tolerance to dehydration and cold stresses. Annu. Rev. Plant Biol. 57, 781-803.

篠崎和子、柿本真之、秦峰、佐久間洋、圓山恭之進:「トウモロコシ由来のストレス誘導性転写因子」平成17年9月16日特許出願(特願2005-270970);平成18年3月20日国際出願(PCT/JP2006/306057)

日本語PDF

2006_seikajouhou_A4_ja_Part5.pdf1.08 MB