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横浜市立大学理学部理学科の山本浩太郎助教、理化学研究所（理研）环境资源科学研究センター代谢システム研究チームの鵜崎真妃基础科学特别研究员、平井优美チームリーダー（名古屋大学大学院生命农学研究科客员教授）、京都先端科学大学バイオ环境学部バイオサイエンス学科の叁村彻郎教授、神戸大学大学院理学研究科生物学専攻の石崎公庸教授、深城英弘教授、京都大学大学院理学研究科生物科学専攻の大西美轮博士研究员らの国际共同研究グループは、薬用植物ニチニチソウ^*1の种子胚^*2におけるアルカロイド^*3生合成开始过程を明らかにし、アルカロイド代谢において细胞分化が重要な役割を担う可能性を示しました。

本研究成果は、抗がん剤などの薬として重要なニチニチソウアルカロイドの生合成およびその制御机构の理解につながり、植物や植物细胞を用いた化合物生合成技术の开発に贡献すると期待されます。

植物は多様な特化代谢^*4産物を合成?蓄積し、その中には薬や嗜好（しこう）品として人間生活において重要な役割を担っているものが多くあります。特化代謝の多くは細胞種特異的に行われることが知られていますが、その理由は未解明です。今回、国际共同研究グループは、抗がん剤などの薬として有用なアルカロイドを細胞種特異的に合成するニチニチソウの种子胚において、種子発芽に伴う細胞の状態変化、アルカロイド生合成の開始過程やアルカロイドの細胞局在を明らかにしました。本研究は、科学雑誌『New Phytologist』オンライン版（3月22日付：日本時間3月22日）に掲載されました。

自らは移动しない植物は、昆虫や草食动物、病原菌などの外敌への防御のため、また周囲の环境に适応するため、特化代谢产物と呼ばれる化合物を合成?蓄积しています。特化代谢产物は、特定の植物种のみが特定の环境の下で合成することが多く、人间生活では薬や嗜好品として重要な役割を持つものが数多く存在します。これらの特化代谢产物は非常に复雑な化学构造を持つため、人工合成が难しく、植物からの抽出に頼っています。一方、有用な特化代谢产物は希少植物や生育の极めて遅い植物种がごく少量しか合成しない场合が多いのが现状です。そのため、植物がこれらの化合物を合成する仕组みや制御机构を知ることは、植物による合成量を増加させたり、酵母や大肠菌といった工业的な培养の容易な生物に合成させる手法を开発したりする上で重要です。

薬用植物であるニチニチソウは、抗がん剤として使われるビンブラスチンやビンクリスチンをはじめとする多種多様なアルカロイドを合成します。ニチニチソウのアルカロイドは、葉では複数の異なる種類の細胞中で、多段階の酵素反応を経て合成されます。まず、IPAP（Internal Phloem Associated Parenchyma）細胞と呼ばれる細胞で合成された前駆体が表皮細胞へ運搬されます。表皮細胞でさらに多段階の反応を経て中間代謝物に変換された後、異形細胞?乳管細胞と呼ばれる細胞へと運搬されて最終産物であるアルカロイドとなって蓄積されます。なぜニチニチソウアルカロイド生合成がこのような複雑な工程からなるのかは不明です。生合成経路のうちの特定の酵素反応が進行するためには、反応の場である細胞が特定の性質を持っている必要があるのかもしれません。

国际共同研究グループは、特定の性质を持たない干细胞が、异なる性质を持つ各种细胞に変化する「分化」に注目しました。そして、植物の「形态的な」分化がおおむね完了した上で休眠状态になっている种子を研究対象としました。乾燥した种子では代谢が停止していますが、水を与えると代谢を再开して発芽します。国际共同研究グループは、ニチニチソウの种子発芽过程において、アルカロイド蓄积量と生合成関连遗伝子の発现量、さらにアルカロイドの主な蓄积场所である乳管细胞の形态的変化を调べることで、细胞が「代谢的に」分化する过程の解明に挑みました。

国际共同研究グループは、受粉后の成熟过程にある种子、完熟后に吸水させた种子、そして発芽过程の种子から胚を取り出して光学顕微镜および蛍光顕微镜で観察し、乳管细胞が成熟途上の种子の胚においてすでに形态的に分化していることを発见しました。発芽过程の胚の细胞を电子顕微镜で详细に観察したところ、乳管细胞周辺の细胞では、一般的に発芽前?直后の胚で観察される构造が见られた一方で、乳管细胞では分解型液胞と呼ばれる细胞小器官が発达しているなど、细胞内构造が周囲の细胞とは大きく异なっていました。（図1）。

そこで、次に完熟后の种子に着目し、吸水前、吸水后発芽前、発芽后の胚を取り出してアルカロイド蓄积量と遗伝子発现量の変化を调べた结果、アルカロイド生合成は発芽后12时间目以降に活発になることが分かりました。アルカロイド生合成酵素遗伝子の発现パターンを见ると、発芽后12～24时间目から発现量が大きく増加する遗伝子と、発芽后36时间目から発现量が増加する遗伝子とに分かれました。叶においては、生合成酵素遗伝子がどの细胞で発现するのかが明らかになっています。种子胚において発芽后12～24时间目、および36时间目に発现量が増大する遗伝子は、叶において、前者は表皮细胞、后者は异形细胞、乳管细胞および滨笔础笔细胞で発现していました（図2）。

葉では異形細胞と乳管細胞にのみアルカロイドが蓄積するため、成長途上の种子胚でも同様かを確認しました。アルカロイドと反応し褐色沈殿を作るドラーゲンドルフ試薬で発芽後48時間目の胚の切片を染色したところ、乳管細胞が褐色に染色され、種子胚においても乳管細胞特異的にアルカロイドが高蓄積していることが示されました（図3）。

これまで、特化代谢产物の机能は成长した植物体が外敌から身を守ることであると考えられてきたため、多くの研究は成熟した叶を用いて行われてきました。种子に着目した本研究の成果は、植物の一生の中で最も脆弱（ぜいじゃく）な时期といえる発芽から芽生えの时期においても、アルカロイドはニチニチソウにとって重要な役割を担っていることを示唆しています。

また、ニチニチソウのアルカロイドは虫や草食动物からの被食に応答して合成されることが知られていましたが、今回の研究から、植物の発生?成长にも连动して合成されることが明らかになりました。ニチニチソウアルカロイド生合成には30もの合成酵素遗伝子が働いています。これらの遗伝子が発芽后一斉に活性化されるのではなく、発生段阶や発现场所に関连した异なる制御を受けていることには生理学的な理由があると考えられます。

今回の研究により、発生?成长に连动したニチニチソウアルカロイド合成の制御机构の存在が示唆されました。今后、この未知の制御机构を研究することで、ニチニチソウが非常に复雑な化学构造を持つアルカロイドを合成?蓄积できる仕组みの解明につながります。

一般に、植物の特化代谢产物は复雑な化学构造を持ち人工的な合成が难しい一方で、人间生活において重要な役割を担うことから、その安定的な生产が求められています。植物特化代谢を酵母など培养の容易な生物で再现し、効率的に植物特化代谢产物を合成しようとする研究が世界中で行われていますが、いまだ高効率での化合物生合成には成功していません。知られざる巧みな特化代谢とその制御机构を植物から学ぶことは、人间にとって有用な植物特化代谢产物の安定供给を目指す研究の発展に大いに贡献するものです。
今回の研究は、国际连合が定めた17项目の「持続可能な开発目标（厂顿骋蝉）^*5」のうち、「3.すべての人に健康と福祉を」への贡献が期待できます。

タイトル：Integration of cell differentiation and initiation of monoterpenoid indole alkaloid metabolism in seed germination of Catharanthus roseus
著者名：Mai Uzaki, Tetsuya Mori, Mayuko Sato, Mayumi Wakazaki, Noriko Takeda-Kamiya, Kotaro Yamamoto, Akio Murakami, Delia Ayled Serna Guerrero, Chizuko Shichijo, Miwa Ohnishi, Kimitsune Ishizaki, Hidehiro Fukaki, Sarah E. O’Connor, Kiminori Toyooka, Tetsuro Mimura, Masami Yokota Hirai
雑誌：New Phytologist
顿翱滨：

＊1 ニチニチソウ：マダガスカル原産のキョウチクトウ科植物で、300種類以上の多様なアルカロイドを合成?蓄積する。ニチニチソウの合成するアルカロイドには、抗がん剤として使用されるビンブラスチンやビンクリスチンなど、人間生活において重要な役割を持つ化合物が多く含まれるため、その生合成経路がよく研究されている。

＊2 種子胚：種子中に含まれる、将来植物体になる部分のこと。

＊3 アルカロイ：ラテン語で「アルカリのようなもの」という意味で、多くが塩基性を示す。厳密な定義は難しいが、一般的には窒素原子を含む低分子化合物のうち、アミノ酸や核酸など他のカテゴリーに分類されるものを除いたものを指す。モルヒネやニコチンなど、生理活性を持つものが多く知られている。

＊4 特化代謝：植物種に固有の代謝。二次代謝とも呼ばれる。

＊5 持続可能な開発目標（SDGs）：2015年9月の国連サミットで採択された「持続可能な開発のための2030アジェンダ」にて記載された2016年から2030年までの国際目標。持続可能な世界を実現するための17のゴール、169のターゲットから構成され、発展途上国のみならず、先進国自身が取り組むユニバーサル（普遍的）なものであり、日本としても積極的に取り組んでいる（外務省ホームページから一部改変して転載）。

理化学研究所　环境资源科学研究センター
　代谢システム研究チーム
　　基礎科学特別研究員 鵜崎真妃　　（ウザキ?マイ）
　　チームリーダー 平井優美　　（ヒライ?マサミ）
　　（名古屋大学　大学院生命农学研究科　客员教授）
　质量分析?顕微镜解析ユニット
　　専門技術員 森　哲哉　　（モリ?テツヤ）
　　技師 佐藤繭子　　（サトウ?マユコ）
　　テクニカルスタッフⅡ 若崎眞由美　（ワカザキ?マユミ）
　　上級技師 豊岡公徳　　（トヨオカ?キミノリ）

横浜市立大学　理学部　理学科
　助教 山本浩太郎　（ヤマモト?コウタロウ）

京都先端科学大学　バイオ环境学部　バイオサイエンス学科
　教授 三村徹郎　　（ミムラ?テツロウ）
　（神戸大学　大学院理学研究科　名誉教授）

神戸大学　大学院理学研究科　生物学専攻
　准教授 村上明男　　（ムラカミ?アキオ）
　助教 七條千津子　（シチジョウ?チヅコ）
　教授 石崎公庸　　（イシザキ?キミツネ）
　教授 深城英弘　　（フカキ?ヒデヒロ）

京都大学　大学院理学研究科　生物科学専攻
　博士研究員 大西美輪　　（オオニシ?ミワ）

マックス?プランク化学生态学研究所（ドイツ）
　ディレクター サラ?オコナー（Sarh E. O’Connor）
　テクニカルスタッフ ダリア?アイレド?セレナ?グエロ
　（Delia Ayled Serna Guerrero）

本研究は、日本学術振興会（JSPS）科学研究费助成事業新学術領域研究（研究領域提案型）「環境感覚を支える植物液胞動態とその適応機構（研究代表者：三村徹郎、22120006）」「植物の力学的最適化戦略に基づくサステナブル構造システムの基盤創成（領域代表者：出村拓）」の計画研究「顕微技術を駆使した計測と制御による細胞構造のしなやかさの高精度解析（研究代表者：細川陽一郎、18H05493）」、同基盤研究（B）「細胞横断型植物二次代謝機構における細胞分化過程の解明（研究代表者：三村徹郎、16H04807）」、同若手研究「１細胞オミクスによる多様な植物異形細胞の機能解明（研究代表者：山本浩太郎、22K15136）」、科学技術振興機構（JST）革新的GX技術創出事業（GteX）「先端的植物バイオものづくり基盤の構築（研究代表者：大熊盛也、JPMJGX23B0）」、同次世代研究者挑戦的研究プログラム「東海国立大学機構融合フロンティア次世代研究事業（JPMJSP2125）」、理化学研究所若手研究者育成制度「大学院リサーチ?アソシエイト制度」による助成を受けて行われました。

横浜市立大学　広报课
mail: koho@yokohama-cu.ac.jp