東大など、植物種子の金属蓄積に果たすリン貯蔵物質の役割を解明

東京大学(東大)は、イネを材料として栄養学的に重要ないくつかの金属元素について、その転流の時期と種子内における蓄積部位を詳細に調べるとともに、フィチン酸の合成時期や蓄積部位を解析することで、フィチン酸が個々の金属の貯蔵に果たす役割について明らかにすることに成功したと発表した。

同成果は同大大学院農学生命科学研究科 生圏システム学専攻の岩井徹氏ならびに吉田薫 准教授、同大 大学院農学生命科学研究科 応用生命化学専攻の小田紘士郎氏、宇都宮大学大学院 農学研究科の高橋美智子 准教授、高輝度光科学研究センター(KEK)の寺田靖子 主幹研究員ら研究グループによるもの。詳細は米国植物生理学会誌「Plant Physiology」に掲載された。

植物は次世代の成長のために種子に大量のリンを蓄積するが、その大部分は「フィチン酸(イノシトールの六リン酸エステル)」として蓄積される。フィチン酸は、強いキレート作用を示し、多くの金属イオンと強く結合するため、リン貯蔵物質としてだけでなく金属の貯蔵物質としての役割を併せ持っている。

今回の研究では、リンの転流とフィチン酸の合成時期、蓄積部位との関係を詳細に調査したところ、イネでは、栄養器官から種子へのリンの転流が活発に行われている時期においても、種子中の遊離したリン酸は常に低濃度に維持されており、転流してきたリンはすぐに種子の外側のぬか層(アリューロン層)近傍でフィチン酸に合成・蓄積されることが明らかとなった。

また、大型放射光施設(SPring-8)において蛍光X線解析を行い、種子切片上の金属元素の位置を高感度で詳細に明らかにし、リンと共局在する金属元素を同定したところ、カルシウム、カリウムおよび鉄の3元素は、種子の成育初期から完熟に至るまで、ぬか層のリンと共局在することが確認され、これら3元素は転流後すぐにフィチン酸と結合してぬか層に蓄積することが明らかとなった。

しかし亜鉛はぬか層だけでなく、種子内部の胚乳(白米部分)にまで広く分布しており、フィチン酸と結合してぬか層に蓄積する以外に、別の形態で胚乳に存在することが判明したほか、銅は種子の成育初期から完熟に至るまでリンとは別の場所で検出されることから、フィチン酸とは結合せずに別の複合体を形成している可能性が高いことが示された。これまでの研究では、種子中では、ほとんどの金属イオンがフィチン酸と結合した形で存在すると考えられてきたが、この成果により生体内ではフィチン酸との結合強度は金属元素によって大きく異なり、無機化学的な結合強度では説明できない法則に従うことが判明した。

ヒトなどの単胃動物はフィチン酸を分解する酵素を持たないため、種子に大量に含まれるリンや金属を消化吸収することができない。これを改善するため、これまで低フィチン酸に向けた育種が行われてきたが、フィチン酸を減少させた場合にフィチン酸と結合していた金属元素の分布が変化する可能性があり、種子における胚形成や胚乳でのデンプン合成などへの影響も懸念されていた。研究グループでは今回の成果について、植物生理学分野の新しい知見となるほか、そうした低フィチン酸育種のための基盤として重要な情報になるとコメントしている。