Reducing transitory starch in cassava impairs photosynthesis and carbon export to storage roots
本研究は、ジャガイモの場合とは異なり、MeAPS1aを標的とすることでキャッサバにおける一過性葉デンプン合成を抑制すると、光合成が阻害され、貯蔵根への炭素輸出が著しく制限され、最終的に温室および圃場の両方の条件下で重大な成長抑制と収量減少を引き起こすことを示している。
原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
植物はタイミングの達人です。太陽が出ている日中、植物は光を利用して空気中の二酸化炭素を糖へと変えます。これが光合成と呼ばれるプロセスです。この糖が成長の糧となりますが、夜には太陽は輝きません。暗闇を生き抜くために、多くの植物は日中にデンプンの一時的な蓄えを作り、日没後にそれをゆっくりと分解することで、エンジンの稼働を維持します。この夜間の燃料タンクは、一過性デンプンと呼ばれています。数十年もの間、科学者たちは、この蓄えがすべての植物にとって厳密に不可欠なものなのか、あるいは、一部の植物は単に貯蔵ステップをスキップして、すべての糖を果実や種子、あるいは根へと直接送ることができるのではないか、という疑問を抱いてきました。ジャガイモのような作物において、研究者たちはこのデンプン蓄積を減らしても植物に害を与えないことを見出しました。むしろ、それはエネルギーを可食部である塊茎へと押し込み、収穫量を増大させる可能性があるようです。この発見は、希望に満ちたアイデアを呼び起こしました。おそらく、夜間の蓄えを必要としないように設計することで、食料生産を最大化するために他の作物も同様のことが可能ではないか、というものです。
熱帯地域で何億人もの人々にとって重要な主食であるキャッサバは、この実験の完璧な候補に見えました。そのデンプン質の根は主要な食料源であり、その収穫量を向上させることは世界の食料安全保障に関わる問題です。キャッサバに対してポテトの戦略が通用するかどうかをテストするため、フリードリヒ・アレクサンダー大学と国立中興大学の研究者たちは、葉の中で夜間のデンプンを作る責任を持つ遺伝子を抑制することに着手しました。彼らは、この夜間の蓄えを作ることができない遺伝子組み換えキャッサバを作成し、事実上、植物にエネルギー管理のための異なる戦略を採用させるようにしました。その目的は、植物が節約したエネルギーを貯蔵根へと再分配し、根をより大きく、より豊富にすることができるかどうかを確認することでした。
しかしながら、結果は全く異なる物語を語りました。研究者が一過性デンプンを作る能力を取り除いたとき、キャッサバは効率的になるどころか、深刻な障害をきたしました。一過性デンプンの蓄えがなくなると、植物の光合成能力は半分以上に低下しました。植物の工場である葉は、デンプンが提供する緩衝材なしでは機能するのに苦労しました。糖を根へと送る代わりに、植物は全体としてはるかに少ない糖しか生産できませんでした。これらの改変された植物の葉の数は少なくなり、植物自体も通常の個体よりもはるかに成長が遅くなりました。制御された温室環境では、植物はなんとか生き延びましたが、明らかに弱っていました。しかし、同じ植物を圃場で栽培すると、状況は悲惨なものとなりました。植物は小さな天蓋（キャノピー）を発達させ、貯蔵根は通常の植物よりも劇的に小さく、軽くなってしまいました。デンプン蓄積を削ることで収穫を増やそうとする試みは、逆効果となり、植物の成長と食料生産の能力の崩壊を引き起こしたのです。
研究者たちはまた、この実験中に生じた二次的な謎についても調査しました。彼らは、特定のスイッチを用いて、遺伝子操作が緑色の葉の中だけで機能するように設計しており、根には影響を与えないはずでした。しかし、遺伝子の信号がそこに留まっていないことが判明しました。植物の内部メッセージングシステムとして機能するRNAと呼ばれる小さな分子が、葉から根へと移動していたのです。若い植物では、これらのメッセージは根におけるデンプン生成遺伝子を抑制するのに十分な強さを持っており、ソース（供給源）とシンク（吸収源）の両方でシステムをオフにする効果がありました。しかし、植物が大きくなり成熟するにつれて、根におけるこれらのメッセージの濃度は薄れ、根における遺伝子抑制の兆候は見られなくなりました。それにもかかわらず、成熟した植物の根は依然として成長が停滞し、未発達なままでした。このことは、根自体が遺伝的に改変されたためではなく、成長の重要な段階において、葉が根に十分な糖を送れなかったために、初期段階でダメージを受けた可能性を示唆しています。
この研究は、キャッサバとジャガイモのような他の作物との間の根本的な違いを明らかにしています。ジャガイモは葉のデンプン減少に耐えて繁栄することができますが、キャッサバは光合成装置を維持するために、その一時的な蓄えに大きく依存しています。植物にとってデンプンは、単なる夜間の燃料としてだけでなく、昼夜を通じてエネルギー生産を安定させるための安定剤として必要なのです。この安定剤が取り除かれると、システム全体が崩れてしまいます。今回の知見は、作物工学に対する警告として機能します。ある種で成功したことが、必ずしも他の種でも成功するとは限らないということです。デンプン蓄積を削って収穫量を増やすという戦略は、普遍的な解決策ではありません。キャッサバにとって、一過性デンプンはオプションの追加要素ではなく、私たちが食料として利用する根を育むためのエネルギーの流れを維持するために不可欠な、生命サイクルの一部なのです。
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