[北海道大学、弘前大学、酪農学園大学]タマネギの糖質分解に関わる新規酵素遺伝子を同定 -- タマネギの生産性向上や機能性タマネギの育成への貢献に期待



北海道大学大学院農学院博士後期課程の奥聡史氏(研究当時、現所属:農業・食品産業技術総合研究機構東北農業研究センター)、同大大学院農学研究院の志村華子講師、酪農学園大学農食環境学群食と健康学類の上野敬司准教授、弘前大学農学生命科学部の前田智雄教授らによる研究グループは、タマネギで初めてとなるフルクタン(*1)分解酵素をコードする遺伝子を見出し、その酵素機能や細胞内局在を明らかにした。フルクタンの代謝に関わる遺伝子の学術的な知見はタマネギの育種へ活かし、環境ストレスに強く作りやすいタマネギやヒトの健康に役立つフルクタンをたくさん含むタマネギなど、有用なタマネギ系統の育成に貢献することが期待される。




【背景】
 光合成によって作られるグルコース(ブドウ糖)は貯蔵炭水化物としてデンプンに変換されるが、タマネギなど一部の植物は、貯蔵炭水化物としてフルクタンも作ることができる。フルクタンはエネルギー源としての役割を持つだけでなく、乾燥や寒さへのストレス耐性などの生理作用にも関わるとされる炭水化物である。フルクタンの合成と分解を担う代謝酵素の働きによって、タマネギでは特徴的なフルクタンが蓄積する(図2)。また、このフルクタンはヒトの消化酵素では分解されず、腸まで到達して腸内細菌に利用される難消化性のオリゴ糖・多糖類であり、ヒトの健康に良い作用があることが知られている。
 タマネギにとっても、また、それを食べる我々にとっても有用なフルクタンが、タマネギの中でどのような酵素で合成・分解されているのかについては不明な部分が残されていた。本研究では、タマネギのフルクタン代謝の仕組みを明らかにするため、フルクタン分解酵素遺伝子を探索し、その遺伝子および酵素の特性と細胞内局在を調査した。

【研究手法】
 タマネギ鱗茎(*2)からフルクタン代謝に関与する候補遺伝子AcpVI1(Allium cepa putative vacuolar invertase 1)を単離。この候補遺伝子の組換えタンパク質を酵母(メタノール資化酵母 Pichia pastoris)や植物(タバコ)で発現させ、酵素の諸性質や細胞内局在を解析した。また、タマネギ鱗茎からフルクタン分解酵素を精製し、その性質を組換えタンパク質のものと比較した。

【研究成果】
 これまでにさまざまな植物でフルクタン代謝に関わる酵素遺伝子が見つかっているが、すべてのフルクタン分解酵素はそのアミノ酸配列が細胞壁型インベルターゼ(*3)と類似している。一方、フルクタン合成酵素のアミノ酸配列は液胞型インベルターゼと類似している。このことから、フルクタンの合成・分解酵素は、液胞型および細胞壁型のインベルターゼからそれぞれ進化してきたと考えられてきた。
 我々がタマネギ鱗茎から単離した遺伝子AcpVI1について推定アミノ酸配列の相同性・系統樹解析を行ったところ、この遺伝子は液胞型インベルターゼもしくはフルクタン合成酵素をコードしているのではないかと予想された(図3)。しかしながら、このAcpVI1の組換えタンパク質はスクロースの分解やフルクタンの合成活性を示さず、予想に反し、1-ケストースなどのフルクタンを分解する活性を示した(図1)。また、タマネギ鱗茎から精製したフルクタン分解酵素の性質はAcpVI1組換えタンパク質のものとほとんど同一であり、そのアミノ酸配列の一部はAcpVI1アミノ酸配列と一致していた。タバコBY2細胞を用いて細胞内局在を解析したところ、AcpVI1の翻訳産物は1-SSTなどのフルクタン合成酵素と同じく液胞内に局在しており(図4)、タマネギのフルクタンの合成と分解はどちらも液胞で行われると考えられた。
 本研究で発見されたAcpVI1遺伝子がコードするタンパク質は、これまで報告されているフルクタン分解酵素とは異なり、液胞型インベルターゼからの進化が推察されるという珍しい特徴を持つものであった。本研究によって、古典的な系統解析だけでは糖代謝に重要な役割を持つインベルターゼファミリーの酵素機能を推測することは不十分であることが示され、インベルターゼの基質特異性の進化やそれに関わる分子メカニズムが何か、新たな学術的興味を提示することができた。

【今後への期待】
 フルクタンはタマネギ鱗茎の肥大とともに増加するが、タマネギ品種間でフルクタン含有量に差があることが知られている。フルクタン蓄積に関する特性は、耐病性や貯蔵性などタマネギの生産性に重要な要素とも関連する。本研究でタマネギのフルクタン分解酵素とその遺伝子AcpVI1の基本的な情報を得ることができた。今後はこのAcpVI1が生育時や貯蔵時にどのように関与しフルクタン含量の変動を引き起こすのか、品種間での遺伝的な違いや環境の影響などを明らかにしていくことで、タマネギの安定生産やフルクタン高含有タマネギの育成への貢献できるのではないかと考えている。

【謝辞】
 本研究は、日本学術振興会科学研究費(科研費)基盤研究B「タマネギ鱗茎におけるフルクトオリゴ糖の代謝メカニズムの解明」(17H03760)の助成を受けて実施された。

【論文情報】
・論文名:Functional characterization and vacuolar localization of fructan exohydrolase derived from onion (Allium cepa)(タマネギ由来のフルクタン分解酵素における機能解析と液胞局在の解明)
・著者名:奥 聡史2(研究当時)、上野敬司3、澤崎由紀子2、前田智雄4、実山 豊1、鈴木 卓1、小野寺秀一3、藤野介延1、志村華子1
(1北海道大学大学院農学研究院、2北海道大学大学院農学院、3酪農学園大学農食環境学群食と健康学類食品栄養化学研究室、4 弘前大学農学生命科学部蔬菜分野)
・雑誌名:Journal of Experimental Botany(植物科学分野の専門誌)
・DOI:10.1093/jxb/erac197/6584479
・公表日:2022年5月11日(水)(オンライン公開)

【用語解説】
*1 フルクタン:スクロース(ショ糖・砂糖)にフルクトースが複数結合した多糖類。10個程度のフルクトースが結合したものがフルクトオリゴ糖とも呼ばれる。植物によっては、フルクトースの重合度が高いもの(100個程度)を合成し、例としてイヌリンがある。フルクタンはヒトの消化酵素で分解されず、腸まで到達して腸内細菌に利用される難消化性のオリゴ糖・多糖類であり、ヒトの健康に良い作用を持つ。タマネギ以外に、コムギ、ゴボウ、ヤーコン、アスパラガスなどの植物にも含まれる。

*2 鱗茎(りんけい):葉鞘基部が肥大したもの。ネギ属野菜(タマネギ、ニンニク、ラッキョウなど)やチューリップの球根でみられる構造の名称。肥大部分にはフルクタンのような多糖類が蓄積する。

*3 インベルターゼ:スクロースを分解し、グルコースとフルクトースを生成する酵素。植物では3種類のインベルターゼが知られており、それぞれ液胞、細胞壁、細胞質に局在する。

・図1:タマネギから精製したフルクタン分解酵素と組換えAcpVI1の基質特異性の比較
 酵母で発現させたAcpVI1組換えタンパク(rAcpVI1_Pic)の基質特異性は、タマネギから精製したフルクタン分解酵素(Native enzyme)と類似し、スクロースを分解せず、1-ケストースを分解した。基質は和明表記があるものについては和名も示した。

・図2:タマネギで想定されるフルクタン代謝経路。
 タマネギでは、フルクタン合成酵素(1-SST、6G-FFT、1-FFT)の作用により、イヌリンシリーズおよびイヌリンネオシリーズのフルクタンが合成される。フルクタン分解には1-FEH、6G&1-FEHのようなフルクタン分解酵素が関わるが、これらをコードする遺伝子はタマネギで
見つかっていなかった。

・図3:単子葉および双子葉植物から単離されたフルクタン代謝酵素(フルクタン合成酵素、フルクタン加水分解酵素)やインベルターゼ(液胞型/細胞壁型インベルターゼ)と本研究で同定されたAcpVI1のアミノ酸配列に基づく系統樹。アミノ酸配列の類似性から、AcpVI1は液胞型インベルターゼもしくはフルクタン合成酵素をコードしているのではないかと予想された。

・図4:タマネギのフルクタン合成酵素(Ac1-SST、Ac6G-FFT)およびAcpVI1の細胞内局在。
 AcpVI1は他のフルクタン合成酵素と同様に液胞内に局在することが示された。

▼研究に関する問い合わせ先
・北海道大学大学院農学研究院
 志村華子(しむらはなこ)講師
 TEL:011-706-2472
 FAX:011-706-3634
 メール: hana@res.agr.hokudai.ac.jp

・酪農学園大学農食環境学群
 上野敬司(うえのけいじ)准教授
 TEL:011-388-4715
 メール: ueno-k@rakuno.ac.jp

・弘前大学農学生命科学部国際園芸農学科
 前田智雄(まえだともお)教授
 TEL:0172-39-3811
 メール:t-maeda@hirosaki-u.ac.jp

▼配信元
・北海道大学社会共創部広報課
 〒060-0808 札幌市北区北8条西5丁目
 TEL:011-706-2610
 FAX:011-706-2092
 メール: jp-press@general.hokudai.ac.jp

・酪農学園大学入試広報センター入試広報課
 〒069-8501 江別市文京台緑町582番地
 TEL:011-388-4158
 FAX:011-388-4157
 メール: koho@rakuno.ac.jp

・弘前大学農学生命科学部総務グループ
 〒036-8561 青森県弘前市文京町3番地
 TEL:0172-36-2111(内線 2749)
 FAX:0172-39-3750
 メール: jm2749@hirosaki-u.ac.jp


【リリース発信元】 大学プレスセンター https://www.u-presscenter.jp/

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組織名
酪農学園大学
ホームページ
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代表者
堂地 修
上場
非上場
所在地
〒069-8501 北海道江別市文京台緑町582番地
連絡先
011-386-1111

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