これらの植物は農薬にさらされると色が変わります

遺伝子の巧妙な工夫のおかげで、植物は色で話すことができるようになりました。カリフォルニア大学リバーサイド校の研究チームは、アブラナ科の小さな白い花を咲かせる植物、シロイヌナズナ（Arabidopsis thaliana）の自然なストレス応答システムをハッキングしました。シロイヌナズナは、植物生物学の研究室でよく使われるモデル生物です。殺虫剤アジンホスエチルにさらされると、シロイヌナズナは緑から赤に変化し、汚染をはっきりと知らせます。

植物が汚染物質にさらされたかどうかを確認するには、サンプルを研究所に持ち帰って検査するといった低技術な方法もありますが、コストと時間がかかります。圃場に設置されたセンサーは、光量、土壌の状態、水分量などを追跡できますが、それでも電源が必要であり、最終的にはメンテナンスが必要になるか、完全に停止することになります。

植物の色を変えるだけで済むなら、はるかに簡単だろう。「この技術は特別な装置を必要としないのがいいですね。ただ目で確認するだけです」と、カリフォルニア大学サンディエゴ校の細胞発生生物学教授で、このプロジェクトには関わっていないユンデ・ジャオ氏は言う。

先週Nature Chemical Biology誌に掲載されたこの研究は、植物中の有機リン系農薬を検出するために可視マーカーを用いた初めての研究です。特定の環境要因に反応して遺伝子発現を活性化することを可能にする高度な合成生物学ツールは、ヒト細胞株や細菌といった生物系（ライフサイクルが短い単細胞生物）において既に存在しています。「植物においては、こうしたツールは非常に限られています」と、共同主任研究者でカリフォルニア大学リバーサイド校の植物生物学者ショーン・カトラー氏は述べています。

成長に数ヶ月かかる複雑な多細胞植物の分子経路を操作することは、微生物を用いた実験よりもはるかに困難です。微生物を用いた実験では、科学者は遺伝子の微調整を行い、その結果を一度で観察することができます。このプロジェクトでは、チームはこれらのツールをスケールアップし、「植物システムにおける多数の複雑な入出力をプログラムできるウィジェットを構築する」ことを目指しました、とカトラー氏は述べています。

研究チームは、哺乳類への毒性のため欧州連合（EU）で禁止されている殺虫剤アジンホスエチルに反応するように植物を改変した。研究チームは、植物が苦痛を知らせるために用いるホルモン経路を乗っ取ることでこれを実現した。

他の植物と同様に、シロイヌナズナはアブシシン酸（ABA）と呼ばれるホルモンを用いて、寒さ、干ばつ、土壌化学の変化といったストレスを受けた際に警告を発します。ABAは植物体内の受容体に結合し、気孔を閉じてより多くの水分を保持できるようにします。カトラー氏の研究チームは、ABA受容体の結合ポケットの形状を変化させることでこの経路を再構築し、アジンホスエチル分子も検知して結合できるようにしました。

ABA受容体にABA以外の物質を結合させると、植物のストレス反応が引き起こされる可能性がありますが、特別な機器と綿密な観察なしには、人間がそれを観察することは容易ではありません。そこで研究者たちは、分子結合によって植物に目に見える変化、つまり色の変化を起こさせようとしました。

A. thaliana を指示通りに赤く染めるため、研究者たちは植物にビートの遺伝子を導入した。趙研究室が開発した「RUBY」と呼ばれる長い合成DNA配列を用いた。この配列には、ビートの特徴的な色である鮮やかな赤色の色素であるベタレインを生成するための指示が含まれている。この殺虫剤にさらされると、この合成化合物がセンサーとして働き、RUBYを活性化する。その結果、植物の葉は緑から濃い赤色に変化する。「結果は実に美しい」と趙研究室は語る。

「この論文は、植物の反応を再プログラムする新たな可能性を切り開くものです」と、スタンフォード大学の生物工学教授ジェン・ブロフィ氏は述べている。ブロフィ氏は今回の研究には関わっていない。しかし、この種の工学技術は扱いが難しいと指摘する。タンパク質の構造にわずかな変化を加えるだけで、タンパク質の折り畳み方が変わり、機能不全を引き起こす可能性があるからだ。研究チームは、ABA受容体が農薬を感知しつつも、通常の機能を維持できることを確認する必要があった。

カトラー氏によると、彼のチームは特定のタンパク質変異を発見し、それを利用して、個々のタンパク質が植物の正常なシグナル伝達経路を阻害できないシステムを構築したという。「A部分は単独でもB部分でも、それぞれ単独では分解されます」と彼は言う。「しかし、魔法のように、それらが一緒になるとその機能は回復するのです。」

理論的には、アジンホスエチルだけでなく、様々な化学物質に反応して植物を赤く染めることは可能です。多くの有機リン系殺虫剤は化学的に類似しているため、同じ改変受容体に結合できます。しかし、アセフェートには青、マラチオンには紫といったように、それぞれの化学物質に対して植物に異なる反応をさせることははるかに困難です。経路が一つ増えるごとに、代謝を阻害する相互作用の可能性が高まります。

シグナルは必ずしも目に見える色の変化である必要はありません。研究チームは温度変化についても実験を行いました。これらの遺伝子組み換え植物には、ダイアジノンという殺虫剤に反応する2つ目の受容体経路があります。ダイアジノンは現在、米国で住宅用としての使用が禁止されています。同じ研究の一環として、研究チームはダイアジノンを用いて植物の通常のABAシグナル伝達を活性化し、ストレスによって引き起こされる葉の温度上昇を引き起こしました。この温度上昇は、MITのチームが以前に試みた方法と同様に、赤外線暗視カメラで捉えることができます。

今後の課題は、複雑になりすぎないうちに、どれだけの分子スイッチを設計できるか、そしてそれぞれが容易に観察可能な出力を生成する別々の経路を作り出すことです。ウィールドン氏は、その努力は報われると考えています。スイッチの数が増えれば、「答えられる疑問の複雑さが増し、追求できる応用の幅も広がります」と彼は言います。

これらの色を変える植物はまだ研究室でしか存在しませんが、カトラー氏によると、彼のチームは「あらゆる種類の化学物質を感知する生物を設計できるバイオセンサーを開発したい」と考えているとのことです。例えば、植物は既に干ばつに反応してABAを生成しているため、実際に被害を受ける前に、喉の渇いた植物が一夜にして色を変えて助けを求めるような状況を想像しています。

ブロフィ氏は、この技術を家庭でも活用することを思い描いている。園芸が苦手な人のために、「何かが必要なことを知らせるために色を変える観葉植物」などだ。

「植物生物学の教授なので、オフィスに素敵な植物を置かなければならないというプレッシャーをすごく感じています。でも、まあ、本当に苦労するんです」と彼女は笑いながら言います。

これらの植物は遺伝子組み換え植物、つまり別の種のDNAを含んでいるため、米国で市場に出すには厳しい承認プロセスに直面することになるだろう。ベタレイン産生植物とA. thalianaは自然界では交配しないため、研究者は、遺伝子組み換え植物が環境に意図しない影響を与えないことを証明する必要がある。

しかし、不可能ではありません。今年初め、米国農務省は、抗酸化物質含有量を高め、保存期間を延ばすキンギョソウの遺伝子を含む紫色のトマトの販売を承認しました。また先月には、発光キノコの遺伝子を含む暗闇で光るペチュニアの開発も承認し、来年には市場に出る予定です。

さらに研究が進めば、色で表現する植物も認められるようになるかもしれません。