自然は独創的です。植物は、貪欲な害虫や病原体から身を守るためのさまざまな物質を開発してきました。現在判明していることですが、驚くべきことに、これらの防御物質の一部は、非常に異なる合成経路と異なる酵素を使用して、異なる植物によって生成されます。これらの植物は近縁ではないため、研究者らはそれらの代謝経路が何度か独立して進化したが、結果は同じだったと推測している。
まったく異なる植物科の個々の種は、多くの草食昆虫や動物にとって有毒な、いわゆるベンゾオキサジノイドと呼ばれる特別な防御物質を生成します。植物は微生物を忌避するためにもそれを使用します。さらに、ベンゾオキサジノイドは個々の植物間の相互作用に関与しており、親戚をサポートし、非特異的な植物にダメージを与えます。これらのインドール由来の化合物の合成経路には、同数の酵素によって触媒される少なくとも 8 つのステップが含まれており、1990 年代から知られていますが、トウモロコシ、コムギ、ライ麦などの単子葉植物に限られます。
しかし、ベンゾオキサジノイドは、進化的に遠く離れた他の多くの植物種にも存在します。これまで、これらの植物がどのようにして防御物質を生成するのかは不明でした。それらの代謝経路を解明しようとするいくつかの試みは失敗に終わりました。ただし、トウモロコシの生合成とは異なると考えられます。
なぜこのように異なる植物が同じ物質を生産できるのでしょうか?
マックス・プランク化学生態学研究所のマチルデ・フロリアン氏率いる研究チームは今回、これらの非常に遠い関係にある植物種のうちの2種、ゼブラ植物（Aphelandra squarrosa）とセイヨウイラクサ（Lamium galebodolon）のベンゾオキサジノイドの合成経路を調査した。 1つ目は観葉植物で主に根でベンゾオキサジノイドを生成しますが、2つ目は森林の端で成長し、植物のあらゆる部分でこれらの物質を生成します。両方の植物種について、研究者らはその成分または代謝（中間）産物と、植物のすべての部分にある活性遺伝子全体を分析しました。
科学者らは、これらのデータをシマウマ植物のさまざまな器官と、ベンゾオキサジノイドを生成しない近縁種のゴールデンイラクサと比較しました。これから、彼らはこれらの化合物の形成に関与している可能性のある 90 または 57 個の遺伝子を特定しました。次に、これらをタバコ植物 (Nicotiana benthamiana) に導入し、その遺伝子が本当にベンゾオキサジノイドの形成に関与しているかどうか、またどの酵素がそれらの遺伝子から生成されるかを調査しました。
この比較により、調べた 2 つの植物ではトウモロコシとはまったく異なる酵素がベンゾオキサジノイドの生成に関与していることが示されました。 「トウモロコシでは、密接に関連した多数のチトクロム P450 酵素が代謝経路の特定のステップを実行します。しかし、他の 2 つの植物種では、他のさまざまな酵素クラスや他のシトクロム P450 酵素が活性化しています」とマックス・プランク化学生態学研究所の上級著者トビアス・ケルナー氏は説明します。たとえば、研究された種は、イネ科植物のような2つの異なるシトクロムP450酵素の代わりに、二重機能のフラビン含有モノオキシゲナーゼを2つの連続する酸化ステップに使用します。
代謝経路の並行進化
研究者らは、同じ反応を実行する酵素がこれほど多様であることは驚くべきことだと報告している。彼らは、これらの物質の生合成は植物の進化の過程で何度か独立して発達したと結論付けています。これは植物学では異例であり、防御物質などの保存された物質群は通常同じ進化的起源を持っており、先史時代の植物は通常、これらの物質を生成する方法を開発しました。その後、彼らの子孫とそこから発展した種がこの技術をさらに発展させ、改良しました。
この場合、イラクサとシマウマの植物は、防御物質の形でことわざの車輪を再発明しました。これは植物界ではむしろ例外です。 「私たちの研究は、植物の代謝がいかに柔軟であるかを示しています。植物は、同じ化合物を生成するために非常に異なる戦略を独立して発明できるのです」と共著者であるマックス・プランク化学生態学研究所のサラ・オコナー氏は言う。彼らの研究が示しているように、これはベンゾオキサジノイドの進化の歴史の中で少なくとも3回起こっています。研究チームは将来的には、他の植物科におけるこれらの化合物の合成を解明したいと考えている。
出典: Matilde Florean (マックス プランク化学生態学研究所) 他、米国科学アカデミー紀要 (PNAS)、 doi: 10.1073/pnas.2307981120
