2020 Fiscal Year Research-status Report
植物耐虫物質の天然増強剤および増強されて機能する新規耐虫物質の探索・解明・利用
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19K22321
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| Research Institution | National Agriculture and Food Research Organization |
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Principal Investigator |
今野 浩太郎 国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 生物機能利用研究部門, 上級研究員 (00355744)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Keywords | シュウシュウ酸カルシウム針状結晶 / サトイモ科植物 / ポトス / 昆虫摂食拒否行動 / 痛み / システインプロテアーゼ / 親水親油性 / 表面物質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
サトイモ科植物葉が摂食したチョウ目幼虫に顕著な摂食拒否行動誘起効果（摂食直後から頭部を上げ口の開閉を繰り返す行動）を誘起し、ヒトに顕著な痛みを起こす活性の仕組みを検討した。前年までに、シュウ酸カルシウム針状結晶がこの効果の主因であることと水溶性の活性成分が針状結晶表面付着していていることを、ヘキサン中でポトス葉をホモジェナイズして回収した針状結晶をヒマ葉に塗りエリサンに摂食させることで再現できること、ポトス葉を水抽出して回収された針状結晶では活性が失われることから解明した。従来説としてサトイモ科の針の表面に付着するシステインプロテアーゼ（以下CP）が人に対する痛みや炎症等活性を原因だという説（論文一報のみ）があるがその妥当性を昨年に引き続き検討した。ポトスの針状結晶をCP特異的インヒビターのE-64で処理しても、E-64共存下でのヒマ葉への針状結晶塗布試験ても、葉にE-64を含む液を吸わせたポトス葉摂食実験でも摂食拒否活性は全く失われなかった。一方針状結晶と市販CPを同時塗布し摂食させても摂食拒否行動は全く観察されず良く摂食したが、逆にサトイモ科葉摂食時には観察されない顕著な黒変致死活性を認めた。また、針状結晶とCPの組合せで混合し人が食べても（キウイ・パイナップルの例）サトイモ科葉をかじった時の急激な激しい痛み（昆虫摂食拒否活性と対応）を感じなかった。これらの結果はサトイモ科の針状結晶の摂食拒否活性が従来説のようにCPが主体でない可能性を示唆した。一方、シュウ酸カルシウムは本来親水性なのに、ヘキサン層や水層との境界面にかなりの量が存在し、ヘキサン層に懸濁する針状結晶も異形細胞膜に包まれることもなく、またプラスチック容器ヘキサン層懸濁液を一度乾燥させると針がプラスチック面に強く張り付くことから、針状結晶表面に親油性物質などの存在の可能性が示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
サトイモ科植物の顕著な痛み活性や毒性は古くから知られているがその分子メカニズムはほとんど解明されていない（シュウ酸カルシウム針状結晶表面のシステインプロテアーゼが原因だというあいまいな結果が通説化しているが根拠が薄い）。昆虫に対する顕著な摂食拒否行動誘起活性は新規の現象である。現時点でシュウ酸カルシウム針状結晶上に存在する原因物質を明らかにするにいたっていないが、本年度の結果では、システインプロテアーゼ阻害剤を使った実験と直接システインプロテアーゼと共存させる実験の双方の実験で、システインプロテアーゼがサトイモ科植物の針状結晶の原因物質でない可能性を示唆する結果を得たたことは、これまでの通説を再考する上で価値がある。また、本来親水性であるはずのシュウ酸カルシウムの針状結晶が、水層と有機溶媒層（ヘキサン・ヘプタンなど親油性物質）の間で（顕微鏡的で観察した限りは）膜などに覆われていない裸の状態で有機溶媒層（油層）や境界層に懸濁・集中し、また乾燥時にプラスチック表面に張りつき水にさらしてもはがれにくいなど、親油性物質などがシュウ酸カルシウム表面に付着している可能性が示唆されるなど、コロナ流行の影響で自宅待機や在宅勤務の期間があり研究の進展が幾分遅れた面もあるなかでその状況の中で考えると進歩があった。
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| Strategy for Future Research Activity |
サトイモ科植物のシュウ酸カルシウム針状結晶はイオン性のシュウ酸カルシウムでできているので、本来的には水になじむはずである。サトイモ科植物のシュウ酸カルシウム針状結晶は水層よりも有機溶媒層になじむという特殊な性質がある。これを合理的に解釈するにはサトイモ科植物のシュウ酸カルシウム針状結晶の表面には何らかの親油性の部分がある物質が付着している可能性が高い。この物質が、昆虫の摂食拒否行動を起こす物質と同一物質で同一である証拠はないがこういうところから明らかにしていくつもりである。また、植物の乳液に含まれる乳化物質が乳液中に共存している防御物質（システインプロテアーゼ他）の耐虫性効果を増強する効果があるかどうかの検証も行っていく予定である。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルスの影響で予定していた国際学会が延期・中止され参加できなくなったことで、大幅に予算が余ったことの他に、自宅待機期間や在宅勤務期間があり研究機関が短くなったことも加わり予算の使用が予定より少なくなり、大幅な次年度使用額が発生した。本年度は試験研究を加速し種々の分析を行うための費用（外部への依頼分析費も含め）に積極的に利用していく予定である。生物検定に必要な昆虫の飼育のための人員の人件費や、論文などへの成果発表に必要な費用としても使用していく予定である。
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| Remarks |
上記の日本農芸化学会大会での発表「植物は毒針（針効果）で昆虫を撃退する？－シュウ酸カルシウム針状結晶が植物防御タンパク質・物質の働きを劇的に増強する相乗効果」に対して「日本農芸化学会2021年度大会トピックス賞」が令和3年3月31日づけで授賞された。日本農芸化学会2021年度大会で発表された約2000件の講演から31件が社会的インパクト、農芸化学らしさ、科学的レベルなどの観点から選定された。
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Research Products
(1 results)
