神戸大学大学院農学研究科のRoumiana Tsenkova (ツェンコヴァ?ルミアナ) 教授の研究グループは、ブルガリア?アグロバイオ研究所のDimitar Djilianov教授が率いる研究グループと共同で、「復活植物 ^※1」として知られる小さな植物群が水なしで長期間 (数ヶ月、数年) 生き残ることができるメカニズムの一部を解明しました。

アクアフォトミクス ^※2 と呼ばれる、近赤外分光 ^※3 を用いて水分子を解析する手法で「復活植物」の1つであるHaberlea rhodopensisの乾燥 ^※4 および復活の全過程を研究した結果、乾燥中の復活植物は葉の中の水を再構成し、水分子を結びつけた状態で蓄積することによって乾燥期間に備えていることを明らかにしました。このような水構造の調節が、植物を脱水誘発損傷から保護し、乾燥状態で生き残ることを可能にするメカニズムであると考えられます。

水構造が乾燥ストレス時における植物の生命維持に重要であるという発見は、植物の干ばつ耐性能力向上そして生物工学の発展において、新たな方向性を見出すものです。

この研究論文は、2019年2月28日午前10時 (イギリス時間) にScientific Reportsにオンライン出版されました。

ポイント

• 復活植物の葉内の水分子マトリックス ^※5 構造は、システムの生体成分によって細かく調整されている。
• 乾燥中、この微調節によって、細胞構造を保持しながら、含水率に関わらず水分子種を一定の比率で維持する。
• 極度に乾燥した状態では、復活植物は水二量体と4つの水素結合を持つ水分子を蓄積しながら、自由な水分子の数を劇的に減少させる。
• 再水和の間、細かく調整された方法で復活植物の葉内の水の分子構造は、最初の完全に生きた状態に回復する。
• これらの現象はいずれも非復活型植物には見られなかった - 乾燥しても生きている間には水の構造に組織的な変化は見られず、回復不能な乾燥状態でもまだ多くの自由水分子が保存されている。
• 初めて、完全に非破壊的な方法で、復活植物の乾燥と復活の全過程がモニターされ、復活植物の「死なずに乾く」能力は、自由水分子の大幅な減少、および4つの水素結合を有する水分子構造や水分子二量体の蓄積といった水分子の組織的なふるまいによって特徴付けられることが見出された。

研究の背景

生命と水は本質的に結びついています。しかし、生き物の中には、水なしで長期間生き残ることができるものが存在し、無水生物と呼ばれています。そして、それらの中には、ほとんど完全に乾燥した植物組織の状態で長期間 (数ヶ月、数年) 生き残ることができ、再び水を与えられたときに，迅速かつ完全に回復することができる「復活植物」として知られているいくつかの植物があります。近年、復活植物の乾燥耐性のメカニズムを解明するために、さまざまな研究が進んでいます。この現象を理解することは、遺伝子組み換えにより、乾燥に耐えられ、気候変動により適応することができる作物を作ることに役立つだけではなく、生命にとっての水の役割についての理解を深めることになります。

復活植物が脱水の影響に適応するための一連のメカニズムを持っていることはよく知られており、これらの適応性に関するのすべての研究は、細胞構造の完全性の保護と酸化ストレスに対する保護に注目したものとなっています。糖は復活植物において非常に重要な役割を果たすことが理解されていますが、特異的にいくつかの生物は糖を生産せず、特定のアミノ酸やいわゆる後期胚形成の豊富なタンパク質が重要な役割を果たしていることが復活能力研究の状況を複雑にしています。

生体内の水は、他の成分 (生体分子) と環境の影響によって常に形成されており、定義された数の異なる分子構造からなる複雑な分子マトリックスです。水は、全ての生物に共通して存在するにもかかわらず、復活植物の乾燥耐性において積極的な役割を果たす可能性について、これまで全く考慮されていませんでした。

研究の内容

無水生物として知られる植物種は、地球上に約200種しか確認されていません。本研究では、無水生物の1つであるHaberlea rhodopensisと呼ばれる植物を研究しました。この植物は、非常に長い期間の極端な脱水に耐える能力を持ち、そして、給水後わずか数時間で、機能が完全に正常な状態に回復します。

本研究グループは特別な近赤外光を使用して、完全に非破壊的な方法で、Haberlea rhodopensisと、その相対的な非復活植物種Deinostigma eberhardtiiの乾燥および再水和のプロセスをモニターしました。これらの植物は遺伝的に非常に似ているにもかかわらず、一方は水のない状態で長期間生き残ることができ、もう一方は脱水症状に耐えることができないという、実際には劇的に異なる植物です。

アクアフォトミクスと呼ばれる近赤外分光法は、Tsenkova教授によって開発された新しいアプローチであり、植物の葉中の水分子の構造変化とそれが脱水および再水和の間にどのように変化するかについての洞察を可能にしました。この手法により、今回の研究に用いた二つの植物の水の構造が、世界で初めて観察されました。

葉の含水量を測定したところ、Haberlea rhodopensis は容易にそして非常に迅速に含水量をわずか約13％まで減少させることが明らかになりました。一方、Deinostigma eberhardtiiは、完全な脱水状況において生きている最後の時点 (水分量は約35％であり、その後は回復できない) まで水分を保持しようとしました。しかしながら、脱水状況の間に水分子の構造を調べると、Haberlea rhodopensisとは著しい違いを示しました。

Haberlea