作物のミネラル輸送体に関する研究

植物は生育に必要なミネラルを根から吸収することで変動する環境や様々なストレスに柔軟に対応しています。また、私たちは作物を摂取することで栄養を得て、その恩恵を受けています。一方で、植物が人体に有害な金属を区別できずに吸収してしまい、私たちが食物として摂取することで健康を損なうことも報告されています。植物のミネラル輸送体の立体構造を解明し、植物におけるミネラル吸収の分子メカニズムを深く理解することによって、輸送体の機能を自在にコントロールできれば、作物の生産性の安定や安全性の向上に役立つことが期待されます。私たちの研究室では作物の安定な生育に欠かせない輸送体タンパク質を大腸菌，酵母，昆虫細胞，哺乳細胞，植物などを用いて異種発現させ，単離精製して立体構造や生理機能を解析する技術があります。

1. ケイ酸チャネルLsi1

植物は土壌からケイ素（Si）をケイ酸 Si(OH)₄ の形で吸収して体内に蓄積し、表面にシリカ SiO₂ として沈着させることで害虫や病原菌などの生物学ストレスや高温、乾燥、倒伏などの非生物学ストレスに対して耐性を獲得しています。そのなかで、特にイネは大量のケイ酸を吸収・蓄積することが知られており、美味しい米を安定して生産するために田んぼではケイ酸質肥料が広く使われています。イネの根で発現する Lsi1（Low silicon rice 1）と呼ばれるケイ酸チャネルタンパク質が発見され、このチャネルがケイ酸を効率良く取り込むために必要であること、Lsi1 が機能しない変異体イネ（lsi1）では深刻な生育障害が起きることなどが知られていました。しかし、Lsi1 の立体構造がわかっておらず、ケイ酸取り込みの詳細なメカニズムは謎でした。

我々はイネ由来のケイ酸チャネルLsi1の立体構造をX線結晶構造解析と呼ばれる手法を用いて1.8 Åの分解能で決定し、その輸送基質の選択性を解明しました（Saitoh, et. al., Nature Com., 2021）。その結果、イネの根では４つのLsi1が集合して機能しており、それぞれのLsi1にケイ酸が透過する穴（チャネル）が見つかりました（図1a）。このチャネルのもっとも狭くなっている部分に注目すると、Lsi1では5つのアミノ酸によって取り囲まれていました（図1b）。Lsi1と進化上共通の祖先をもつ水チャネル（アクアポリン）では当該部分は4つのアミノ酸によって取り囲まれていますが(図1c)、Lsi1では5つ目のアミノ酸（65番目のThr）が別に存在し、そこに水分子が結合することでケイ酸が透過するのに最適なかたちをしていることがわかりました（図1b）。そこで今回新たに見つかった5つ目のアミノ酸を人為的に変えてLsi1の機能を調べたところ、この部分がケイ酸の透過に重要であることが確認されました。アクアポリンの発見が2003年のノーベル化学賞に選ばれているように、細胞への水や物質の取り込みは生物学の重要な研究テーマとなっています。今回の研究は、イネLsi1の立体構造を明らかにしただけではなく、アクアポリンが透過する物質を決める要因として5つのアミノ酸が関わることを示した初めての例になります。

これらの研究は岡山大学馬建鋒研究室をはじめとする、多くの研究者との共同研究によるものです。