植物では、固体の細胞壁が安定した枠組みを形成し、細胞を支えて保持し、植物が風などの天候の影響に耐えられるようにします。しかし、この強固な構造にもかかわらず、どうやって成長できるのでしょうか?成長ホルモンのオーキシンが細胞壁のpH値を下げ、細胞壁を柔らかくすることができることは長い間知られていました。今回、研究者はそれがどのようにして行われるかを正確に示しました。したがって、プロトンポンプを活性化するタンパク質が重要な役割を果たしている。これにより、細胞が確実に拡張および分裂できるようになります。
オーキシングループの植物ホルモンは、植物がさまざまな方法で成長することを可能にします。オーキシンは、細胞核内の遺伝物質の増殖を確実にし、細胞分裂の推進力を与え、植物が光の方を向くように制御します。さらに、それらは植物の成長のための重要な基本要件を作り出します。それらは植物の堅い細胞壁を十分に柔らかくし、それによって細胞が拡張し分裂する可能性を生み出します。いわゆる酸増殖理論によれば、それらは細胞壁の pH 値を低下させるプロトンポンプを活性化し、それによって結合を緩めます。しかし、正確なメカニズムはまだ不明でした。
プロトンポンプの活性化
カリフォルニア大学リバーサイド校のウェンウェイ・リン率いるチームがこの謎を解明した。 「私たちの結果は、オーキシンが細胞の原形質膜内の膜貫通キナーゼ 1 (TMK1) と呼ばれるタンパク質とプロトンポンプ H + -ATPase (AHA1) との間に迅速かつ直接的な相互作用を引き起こすことを示しています」と研究者らは説明します。 AHA1 は通常は非アクティブです。しかし、TMK1 が AHA1 と接触すると、特定の場所にリン酸基が結合し、ポンプが活性化されます。これにより、細胞壁の領域にプロトンが送り込まれます。
その結果、pH値が低下し、細胞壁内のセルロース分子間の安定化結合が部分的に溶解します。これにより、以前は一種の硬いコルセットの中にあった細胞が拡張できるようになります。細胞壁内の追加のプロトンも細胞内への水分吸収を促進し、内圧を上昇させます。 「風船と同じように、膨張は外側の厚さと吹き込む空気の量によって決まります」とリン氏の同僚のジェンビアオ・ヤン氏は説明する。 「細胞壁のpHが低下すると、水が外側から細胞に入り込み、膨圧と膨張が促進される可能性があります。」
成長障害のある変異体
リンと彼の同僚は、これらの発見に到達するためにさまざまな実験を実施しました。とりわけ、彼らは、膜貫通キナーゼ 1 と、同じ効果を持つ膜貫通キナーゼ 4 のスイッチをオフにした、シロイヌナズナ (Arabidopsis) の遺伝子組み換え標本を飼育しました。これらの植物は重大な成長欠陥を示し、分子分析により、オーキシンによるプロトンポンプのリン酸化が膜貫通キナーゼなしでは機能しなくなっていることが明らかになった。しかし、他の物質も、リン酸基の助けを借りて変異体のポンプを活性化することができた。 「したがって、オーキシンによるリン酸化の増加には、TMK1とTMK4が選択的に必要である」と研究者らは結論づけている。
研究者らが遺伝子組み換え植物にTMK1を添加すると、再び正常に生育できるようになった。膜貫通キナーゼがなければ、土壌の pH が低いと生育障害が軽減される可能性があります。 「現在の結果は酸成長理論を裏付け、説明している」と著者らは書いている。 「膜貫通キナーゼを介した追加のオーキシンシグナル伝達経路に関する最近の発見と合わせて、オーキシンが細胞の内部および表面上のシグナル伝達経路の協調作用を通じて植物の成長および発達プロセスを調節していることは明らかです。」
出典: Wenwei Lin (カリフォルニア大学リバーサイド校、米国) 他、Nature、 doi: 10.1038/s41586-021-03976-4
