プレスリリース

明治大学の瀬戸義哉准教授は静岡大学の竹内純准教授、中村彰彦教授と共同で、高温ストレス下での植物の発芽制御に関わるKAI2（KARRIKIN INSENSITIVE 2）^注1というタンパク質がどのような分子構造を持つ物質（リガンド）と結びつくことで生理応答が起こるのかを明らかにしました。

地球温暖化により、高温ストレスが原因で植物の発芽が妨げられることは、農作物の収穫量に大きな影響を与える深刻な問題です。最近の研究で、植物ホルモンであるストリゴラクトン^注2の受容体（D14）の仲間であるKAI2が、高温環境での植物の休眠や発芽の調節に関与していることが報告されています。しかし、KAI2と結合する植物内生リガンド^注3（KL）はまだ同定されておらず、そのメカニズムもよく分かっていません。

そこで本研究では、KAI2のリガンドがどのような分子構造を持っている必要があるのか、またKAI2がどのように活性化されるのかを解明しました。 具体的には、KAI2と結合することが知られているdMGer^注4という物質（KAI2アゴニスト^注5）の構造を改変して、KAI2と結合するが、KAI2によって加水分解されないような構造としたdMGerアナログ（類似物質）を設計しました。このアナログを使って、KAI2との結合活性や植物への効果を詳しく調べました。解析の結果、KAI2を活性化するためには、リガンドがKAI2と結合するだけでは不十分であり、リガンドのブテノライド環^注6が加水分解され、その後KAI2の触媒残基^注7と共有結合を形成することが重要であることが分かりました（図1）。

本成果は、10年以上発見されていなかったKLの構造的特徴に関する新しい知見を提供し、KLの探索研究を大きく前進させるものと期待されます。また、植物の高温発芽阻害の解決にKAI2経路を利用した新規農薬ターゲットを創り出せる可能性もあります。この研究成果は、2025年2月20日に国際学術誌「Proceedings of the National Academy of Sciences（PNAS）」のオンライン版で公開されました。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

戦略的創造研究推進事業ACT-X

研究領域：「環境とバイオテクノロジー」

（研究総括：野村 暢彦 筑波大学 生命環境系 教授）

研究課題名：「高温ストレスによる発芽阻害メカニズムの解明」（課題番号：JPMJAX21BE）

研究代表者：（竹内 純 静岡大学 准教授）

研究期間：令和3年10月～令和6年3月

農作物の収量が不安定になる主な理由の一つが気候変動です。全体の28～34%が気候変動の影響を受け、そのうち2～10%が高温日数の割合が増えることが原因と言われています。そのため、地球温暖化による高温障害に対応できる農業技術の開発が急務となっています。

高温障害の具体的例として、水稲栽培では米粒が白濁する白未熟粒の発生、果実栽培では着色不足、様々な農作物での発芽不良などがあります。本研究グループでは特に発芽不良（高温発芽阻害）に注目しています。高温発芽阻害は、葉茎菜類、果菜類および根菜類といった多くの農作物・植物種で生じる現象で、例えば、ホウレンソウやキャベツなど、あるいは植物研究のモデル植物として利用されるシロイヌナズナにおいては、気温が30℃以上になると発芽率が極端に低下します。この要因は主に、高温ストレスを受けた植物の体内でアブシシン酸（ABA）^注8が増加し、これによって休眠が誘導されるためだと考えられています。一方で、発芽にはジベレリンやストリゴラクトン（SL）といった他の植物ホルモンも関与することが以前から知られています。また最近の研究で、SL受容体DWARF14（D14）のパラログ^注9であるKARRIKIN INSENSITIVE 2（KAI2）というタンパク質が高温ストレス下での発芽制御（高温発芽阻害の緩和）に関与することが報告されています。

生体での情報伝達において、リガンドと受容体の役割は大変重要です。細胞膜などに存在する受容体（タンパク質から成る）は、情報伝達物質であるリガンドが結合すると細胞内に情報を伝えます。このとき、リガンドと受容体は1対1で対応することから、リガンドが鍵、受容体が鍵穴に例えられます。KAI2は、山火事などで植物が燃焼した際の煙に含まれる発芽刺激物質（カリキン）と結合するタンパク質として2012年に同定されました。それから10年以上経った現在でも、KAI2と結合するKLは見つかっていません。これまでの研究により、KAI2はブテノライド化合物（例えば、人工SLであるGR24^ent-5DSやdMGer）と結合することで活性化することが分かっていましたが、その作用メカニズムの詳細は明らかになっていませんでした。

本研究では、KAI2アゴニストとして必要な分子構造やKAI2の活性化機構を明らかにすることを目的に、ブテノライド環部分を構造改変した新しいKAI2リガンドを設計･合成しました。KAI2は、α/β-加水分解酵素ファミリー^注10に属するタンパク質です。特徴的なのは、受容体でありながら触媒三つ組残基（Ser-His-Asp）が保存されており、GR24^ent-5DSやdMGerを加水分解する能力を持つ点です。本研究では、KAI2がリガンドを加水分解し、その後の共有結合形成がシグナル伝達にどのように関与するのかを明らかにすることを目指しました。

KAI2アゴニストであるdMGerをリード化合物として、dMGerの2-フラノン環をシクロペンテノン環に置換した1'-carba-dMGerと、フェノールエーテル結合を炭素-炭素結合に置換した6'-carba-dMGerを合成しました（図2）。これにより、1'-carba-dMGerは加水分解されず、6'-carba-dMGerは仮に加水分解されてもKAI2と共有結合しない分子構造にしました。いずれのdMGerアナログも、鏡像異性体^注11を分割した後、各種試験に用いました。以降は、鏡像異性体間で活性の強かった(+)-体の結果について示しています。

(+)-1'-Carba-dMGerと(+)-6'-carba-dMGerは、いずれもin vitroの実験でKAI2と結合し、(+)-dMGerと同様に、KAI2の熱安定性を低下させました（図3A及びB）。しかし、(+)-dMGerと異なり両化合物は高温ストレスによるシロイヌナズナ種子の発芽阻害を緩和せず（図3C）、赤色光下での胚軸伸長阻害活性も(+)-dMGerのそれと比較して非常に弱いものでした（図3D）。また酵母ツーハイブリッド法^注12においても、(+)-dMGerはKAI2と下流のシグナル制御因子であるSUPPRESSOR OF MAX2_1（SMAX1）との相互作用を誘導した一方、(+)-1'-carba-dMGerと(+)-6'-carba-dMGerはこの相互作用を誘導しませんでした。さらにX線結晶構造解析により、(+)-6'-carba-dMGerは加水分解されることなく、図2で示した分子構造のままKAI2の触媒ポケットに結合することが分かりました（図4）。

以上の結果から、KAI2シグナル伝達の活性化にはリガンドが受容体に結合するだけでは不十分であり、ブテノライド環部分の加水分解とそれに続くKAI2触媒残基との間の共有結合形成が重要な役割を担っていることを明らかにしました。従って、KLも同様に、KAI2によって加水分解･切断されるブテノライド環を有していると推測されます。

本成果は、10年以上にわたって未発見なKAI2の植物内生リガンドの構造的特徴に関する新たな知見を提供するものであり、新たな植物ホルモン候補であるKLの同定研究に繋がるものだと期待されます。KLが同定されれば、植物の高温ストレス応答に対するKAI2の生理機能･役割を明らかにすることができ、高温発芽阻害の制御にKAI2経路という新たな視点（新規農薬ターゲット）を創り出せる可能性があります。また本研究により得られた知見から、KAI2を人工的に制御するアゴニスト（活性化剤）やアンタゴニスト（阻害剤）の合理的な設計･合成が可能となり、KAI2を標的とした植物成長調整剤^注13（環境ストレス耐性付与剤）の創出へと繋がることも期待されます。

• 注1　KARRIKIN INSENSITIVE 2（KAI2)

• 注2　ストリゴラクトン（SL）

• 注3　植物内生リガンド

• 注4　dMGer

• 注5　アゴニスト

• 注6　ブテノライド

• 注7　触媒残基

• 注8　アブシシン酸（ABA）

• 注9　パラログ

• 注10　α/β-加水分解酵素

• 注11　鏡像異性体

• 注12　酵母ツーハイブリッド法

• 注13　植物成長調整剤