リグニンのない木質を形成

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植物の二次細胞壁を一次細胞壁に置き換えることに成功

2018/10/02  産業技術総合研究所,科学技術振興機構(JST),メルボルン大学,ブリティッシュコロンビア大学など

ポイント
  • 植物の一次細胞壁の形成を制御する遺伝子を発見。
  • 発見した遺伝子の導入により木質(二次細胞壁)のかわりにリグニンがほぼない一次細胞壁の蓄積に成功。
  • 低環境負荷型の木質バイオマス由来の燃料や化成品の高効率生産への貢献に期待。

国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】(以下「産総研」という) 生物プロセス研究部門【研究部門長 田村 具博】 植物機能制御研究グループ 坂本 真吾 研究員、光田 展隆 研究グループ長らは、メルボルン大学、ブリティッシュコロンビア大学などと共同して、新しく同定した一次細胞壁注1)形成を制御する遺伝子を使い、従来の木質(二次細胞壁)注2)のかわりにリグニン注3)がなく極めて酵素糖化性注4)の高い細胞壁を高蓄積させることに成功した。

植物の細胞壁は、どの細胞にも普遍的な一次細胞壁と、強度を必要とする細胞(道管や繊維細胞)に蓄積する二次細胞壁(木質)に大別できる。二次細胞壁に多く含まれるリグニンはバイオマス分解を阻害し、燃料や物質生産の障害となる。今回、リグニンを含まない一次細胞壁の形成を制御する遺伝子としてERF転写因子注5)群を発見した。これを、二次細胞壁を形成しないシロイヌナズナ注6)変異体に導入することで、リグニンがなく酵素糖化性の高い一次細胞壁に似た細胞壁を繊維細胞に高蓄積させることに成功した。今回発見した転写因子注5)を利用した木質改変植物の開発により、木質バイオマスを利用する工程で必要なエネルギーや化学薬品を減らすことができ、二酸化炭素排出削減への貢献が期待される。さらに今回発見した遺伝子の機能解析を進めることで、いまだ多くが解明されていない植物の一次細胞壁の形成機構が明らかになり、植物の「植物らしさ」を解明することにつながると期待される。

なお、この技術開発の詳細は、2018年10月1日(現地時間)に英国科学誌「Nature Plants」にオンライン掲載される。

シロイヌナズナと細胞壁の顕微鏡像

本研究成果は、国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推事業 先端的低炭素化技術開発(ALCA)の一環として行われた。

<開発の社会的背景>

地球温暖化の主要な原因となる二酸化炭素の放出を抑制するため、植物などの生物資源を材料にした物質生産や燃料生産が注目を集めている。特に食糧生産と競合しない木質バイオマス資源は、次世代バイオ燃料や次世代バイオ素材であるセルロースナノファイバー注7)の供給源として注目されている。しかし、木質バイオマスに大量に含まれるリグニンはバイオマス分解を阻害するため、その先の工程である物質生産や燃料生産の障害となる。リグニンの除去には大きなエネルギーや化学薬品の投入が必要であるため、リグニンの少ない木質バイオマス資源の開発が求められていた。

<研究の経緯>

産総研では、工業原料・医薬品・食料生産などへの応用を目指し、植物転写因子に関する研究開発を進めてきた。特に植物細胞壁の研究では、植物の二次細胞壁(木質)の形成を制御するNST転写因子群の発見、イネNST転写因子を利用した「木質増強ポプラ」の開発など、植物細胞壁の研究で世界をリードする研究成果を挙げてきた。

今回は、産業利用しやすい木質原料を生産する植物の研究開発に取り組んだ。

<研究の内容>

今回の研究では、以前産総研が発見した二次細胞壁(木質)の形成を制御するNST転写因子群の遺伝子破壊株であるシロイヌナズナnst1 nst3二重変異体をベースとなる実験材料として用いた。nst1 nst3二重変異体は2つのNST転写因子が破壊された植物で、茎の繊維細胞に二次細胞壁(木質)を形成できないので非常に折れやすく直立できない。二次細胞壁(木質)は、一般に陸上植物の乾燥重量の半分以上を占めることから、これを作っていないnst1 nst3二重変異体は外壁だけあって中身が空洞の「空っぽの容器」のようなものである。そこで、この「空っぽの容器」に、天然の二次細胞壁(木質)とは異なり産業利用に適した細胞壁を蓄積させることを目指した。

このnst1 nst3二重変異体に、約1800あるシロイヌナズナの全転写因子の遺伝子の中から、代表的な約300の転写因子を選んで導入した。導入した全ての植物を解析したところ、ERF転写因子遺伝子ファミリーの一部のサブファミリー(クラスIIId、IIIe)が導入された植物では、繊維細胞にリグニンを持たない細胞壁が蓄積していた(図1)。肥大した細胞壁の酵素糖化性を解析したところ、野生株と同等の細胞壁量(バイオマス量)を持ちながら2倍程度酵素糖化しやすいことが分かった(図2)。

導入した遺伝子の機能解析から、このクラスIIId、IIIe ERF転写因子群は植物の一次細胞壁の形成に関わる遺伝子の転写を制御していることが分かった。また、リグニンのない細胞壁の構成成分を分析したところ、一次細胞壁に特徴的なペクチン注8)などが多く含まれており、リグニンのない細胞壁は一次細胞壁が通常では起こり得ないほど肥厚していたことも分かった(図1、図3)。

一次細胞壁は通常リグニンを含まずセルロース注9)やグルコースを取り出しやすいことから、今回の成果を活用して植物の一次細胞壁の割合を高めたり、二次細胞壁(木質)に一次細胞壁の特徴をブレンドしたりできれば、将来的に木質バイオマス由来の燃料や化成品の高効率生産に寄与すると期待される。

<今後の予定>

今後は、今回発見した一次細胞壁形成因子のより詳細な機能解明を進めつつ、肥厚させた一次細胞壁に通常木質に含まれる細胞壁成分を追加蓄積させるなどし、天然の木質に近い性質を持ちながら産業利用に適した木質を生産できるよう改良技術の開発を目指す。またポプラやユーカリなどの木本植物注10)や、ソルガムやネピアグラス、スイッチグラスといった大型単子葉植物への適用を検討する。このような技術開発を継続することで石油資源のバイオマス資源への置換えを促進し、地球温暖化の抑制に貢献していく。

<参考図>

図1 クラスIIId、IIIe ERF転写因子群はリグニンのない細胞壁の蓄積を引き起こす(スケールバー:50µm(a-f)、1µm(g-i))

(a-c)シロイヌナズナの茎の切片の明視野観察像。

(d-f)紫外線(UV)照射によるリグニンの検出。野生株(d)ではリグニンの自家蛍光(水色)が細胞壁肥厚部位にはっきり見られるが、nst1 nst3二重変異体(e)やそこにクラスIIId、IIIe ERF転写因子を導入した植物(f)では道管にのみリグニンの自家蛍光が検出できる。

(g-i)繊維細胞の電子顕微鏡観察画像。

図2 ERF導入植物は糖化性の高い細胞壁を蓄積する

ERF導入植物は野生株と同等の細胞壁量を持つにもかかわらず(a)、酵素糖化によるグルコース収量は野生株よりはるかに多い(b)。

図3 クラスIIId、IIIe ERF転写因子が形成する細胞壁の糖組成は一次細胞壁に類似

(a)クラスIIId、IIIe ERF転写因子導入植物の細胞壁糖組成はほとんど一次細胞壁しか持たないnst1 nst3二重変異体に似ている。ガラクツロン酸やガラクトース、ラムノースなどペクチンの構成糖に富んでいる。

(b-g)茎の切片で二次細胞壁に多いキシランや一次細胞壁に多いペクチンを検出した。

<用語解説>
注1)一次細胞壁
植物の細胞壁は、全ての細胞が持つ一次細胞壁と、強度が必要な組織の細胞にのみ形成される二次細胞壁とに大別される。一次細胞壁は主にセルロース、ヘミセルロース、ペクチンから構成される。これまで一次細胞壁形成を制御している転写因子遺伝子はほとんど分かっていなかった。
注2)木質(二次細胞壁)
木質はその名の通り木そのものであり、おおよそ全ての陸上植物が大量に合成している。細胞学的には強度が必要な組織の細胞で一次細胞壁の内側に形成される極めて肥厚した細胞壁であり、二次細胞壁と呼ばれる。二次細胞壁は主にセルロース、ヘミセルロース、リグニンから構成される。ヘミセルロースはセルロース様糖ポリマーの総称であり、二次細胞壁のヘミセルロースは一次細胞壁のそれとは内容が異なる。二次細胞壁形成を制御している転写因子遺伝子はNST転写因子群と呼ばれ、産総研や他の研究者の研究により10年ほど前に明らかになっている。
注3)リグニン
二次細胞壁の主要な構成要素の1つであり、芳香環を持つ化合物が複雑に重合して作られる巨大なポリマーである。木質バイオマスからセルロースやその分解物であるグルコースを取り出すにあたって阻害要因となる。
注4)酵素糖化性
セルロースはグルコースのポリマーであり、菌類などを由来とするセルラーゼによってセルロースを分解するとグルコースを得られるが、このときの糖化効率を酵素糖化性という。
注5)転写因子、ERF転写因子
転写因子とは他の遺伝子の働きを調節しているたんぱく質のことである。転写因子自身の遺伝子は、全遺伝子の約5~10%を占める。数十種類の遺伝子ファミリー(仲間)に大別される。モデル植物であるシロイヌナズナでは約1800個の転写因子が存在するとされているがERF転写因子ファミリーはその中でも約120個を占める大きな遺伝子ファミリーであり、植物ホルモンであるエチレンへの応答や乾燥耐性、植物の表面のクチクラ形成などに関わることが知られている。今回一次細胞壁形成を制御することが明らかになったのはこのうちの約10個である。
注6)シロイヌナズナ
モデル植物として実験によく使われる小型の植物。ぺんぺん草の仲間。一世代の期間が短く、省スペースで栽培できるなどの利点がある。シロイヌナズナで実証できたことは他の多くの植物でも再現できると考えられている。
注7)セルロースナノファイバー
セルロースは束になってセルロースミクロフィブリルという構造を取るが、これを解繊して得られる極細の繊維のこと。鋼鉄よりも軽くて強いといった多くの優れた特長から次世代素材としての利用が期待されている。
注8)ペクチン
一次細胞壁の主要な構成成分の1つで、糖類が複雑に結合、分岐したポリマーである。増粘剤として食品添加物によく使われる。
注9)セルロース
植物の一次細胞壁、二次細胞壁の主要な成分の1つであり、グルコースがβ-1,4結合によって大量につながった巨大ポリマーである。人間はセルラーゼを持たないために消化することができず、食糧にはならない。
注10)木本植物
いわゆる「木」のこと。多年生で茎に木質を多く蓄積する植物。ポプラ、ユーカリ、スギ、ヒノキ、マツ、など多種多様である。
<お問い合わせ先>
<研究に関すること>

光田 展隆(ミツダ ノブタカ)
産業技術総合研究所 生物プロセス研究部門 植物機能制御研究グループ 研究グループ長

<JST事業に関すること>

科学技術振興機構 未来創造研究開発推進部

<報道担当>

産業技術総合研究所 企画本部 報道室

科学技術振興機構 広報課

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