植物が有性生殖するとき、父親と母親の細胞核からの遺伝物質が結合されます。光合成に重要な葉緑体は、母植物から子孫にのみ受け継がれる、と以前は考えられていました。新しい研究は、寒さへの曝露などの特定の状況下では、父親の葉緑体の遺伝物質も受け継がれる可能性があることを示しています。これにより、植物育種の新たな可能性が開かれる可能性があります。
10億年以上前に今日の動植物の細胞の前駆体が発達したとき、今日でも成功している共生関係が生み出されました。有用な特性を持つ以前は独立していた単細胞生物が他の細胞に吸収され、その細胞代謝に統合されました。このような単細胞生物からは、動植物細胞の動力源であるミトコンドリアと、植物細胞の光合成を可能にする葉緑体が誕生しました。以前の仮定によれば、これらの細胞小器官は母親から子孫にのみ受け継がれます。植物では、葉緑体が花粉粒にまったく侵入しないか、花粉が雌の卵細胞と受精する前に分解されると考えられています。したがって、母親と父親の葉緑体の遺伝物質の組み換えは除外されると考えられます。
ストレス下の花粉
このことは現在、ポツダムのマックス・プランク分子植物生理学研究所のキン・パン・チュン率いるチームによる研究によって否定されている。したがって、父方の葉緑体の遺伝はまれですが、特定の条件下ではより頻繁に発生します。 「両親からの遺伝は細胞小器官ゲノムの安定性と進化に強い影響を与えていると考えられるため、どのような環境要因と遺伝的要因が葉緑体がどのように遺伝するかを決定するかを調査しました」と研究者らは報告している。
Chung 氏と彼のチームは、さまざまな環境条件下で 400 万本以上のタバコの植物を調査しました。父方の葉緑体と母方の葉緑体を区別できるようにするために、研究者らはまず、葉緑体が抗生物質に耐性のある父方植物を育種した。次に、花粉の成熟期にこれらの植物を暑さ、寒さ、干ばつ、強い光などのさまざまなストレス要因にさらしました。次に、このように処理した花粉を使用して、未処理の母植物を受粉させました。
実生栽培における緑色の斑点
Chung らは、この交雑から生まれた種子を、適切な抗生物質を混合した栄養培地上で生育させました。母植物の葉緑体は抗生物質によって破壊されたため、母植物の葉緑体のみを保持した苗は無色のままでした。苗が緑色であれば、その苗は父親植物から葉緑体を受け継いでいるに違いありません。 「何千もの植物を見て、常にその 1 つの緑の場所を探していると、モチベーションを維持するのは簡単ではありません。同様に、低温実験が実際に効果を示したとき、私たちも興奮しました」と、Chung 氏の同僚 Stephanie Ruf 氏は言います。
次のステップで、研究チームはどのようなメカニズムで父方の葉緑体が低温で確実に遺伝する可能性が高いかを調査した。 「寒さによって植物の代謝における酵素の働きが遅くなることがわかっています。 「したがって、私たちは、ある酵素が父親からの葉緑体の遺伝の阻止に関与しているのではないかと考えました」と、チョン氏の同僚エンリケ・ゴンザレス・デュラン氏は説明する。実際、研究者らは、通常、花粉の成熟中に葉緑体に含まれる遺伝物質を破壊するDPD1と呼ばれる酵素を発見しました。研究者らがレーザー走査型顕微鏡とPCR検査を使って実証したように、このタンパク質が欠損した植物を品種改良した場合、その花粉には実際に葉緑体の遺伝物質が含まれていたことになる。
植物育種と進化生物学の新しい視点
このように操作された父親植物は、無傷のDPD1を持つ植物よりもわずかに機能性の低い花粉を生産しましたが、研究者らは雌植物に受粉し、この花粉でも苗を育てることができました。そして実際、父方の葉緑体の遺伝率は、寒冷曝露で観察されたのと同様に、大幅に増加しました。研究者らが遺伝子操作と寒冷ストレスを組み合わせると、遺伝率は2～3パーセントに増加した。 「最初は小さいように聞こえるかもしれませんが、通常の状況でこのようなことが起こる確率が 10 万分の 1 であることに比べれば、非常に大きなことです」と Chung 氏は言います。
この発見は、植物育種に新たな視点をもたらします。「これまで、ミトコンドリアと葉緑体は母親からのみ、一緒に受け継がれると考えられていたため、それらのゲノムにコード化された特性を別々に受け継ぐ方法はありませんでした。単純な低温処理によって父親側から葉緑体を受け継ぐ可能性は、全く新しい育種プログラムへの扉を開く可能性がある」と、チョン氏の同僚ラルフ・ボック氏は説明する。この洞察は進化生物学にとっても重要です。 「私たちの結果は、遺伝子研究において環境条件を考慮することがいかに重要であるかを示しています」とボック氏は言います。 「母方から受け継いだ葉緑体と父方から受け継いだ葉緑体が実際に相互に遺伝物質を交換するかどうかを調査するのは、今後非常に興味深いことになるでしょう」とChung氏は付け加えた。
出典: Kin Pan Chung (ポツダムのマックス・プランク分子植物生理学研究所) 他、Nature Plants、 doi: 10.1038/s41477-022-01323-7
