穀物由来ケイ酸チャネルの基質選択機構の解明

• 研究課題/領域番号: 19K16056
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分43020:構造生物化学関連
• 研究機関: 岡山大学
• 研究代表者: 齊藤 恭紀 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特任助教 (10808786)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2020年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2019年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: 穀物 / 膜タンパク質 / チャネル / ケイ酸 / アクアポリン / X線結晶構造解析 / ストレス耐性 / 基質選択性 / 膜輸送体

研究開始時の研究の概要

ケイ素は土壌中に最も豊富に存在するミネラルであり、イネをはじめとする穀物の生育や生産性に大きく関わっている。イネは根から土壌中のケイ素をケイ酸の形で吸収し、それを利用することで生物的および非生物的ストレスに対して幅広い抵抗性を獲得している。イネの根におけるケイ酸吸収は膜タンパク質、Lsi1が担っている。Lsi1は小さなグリセロールを通すことなく、より大きなケイ酸や有毒な亜ヒ酸を透過させるユニークな性質を持っており、その基質選択機構の理解は学術的にも農業応用的にも極めて重要である。
本研究ではX線結晶構造解析によって穀物由来のLsi1の構造を原子分解能で解明し、その基質選択機構を明らかにする。

研究成果の概要

ケイ素は土壌中に多く含まれる元素で、イネやトウモロコシ等の重要な穀物の生育や生産性を左右する。本研究課題ではケイ素の取り込みを担っているケイ酸チャネルの構造を原子レベルで解明し、ケイ素取り込みの原子基盤を明らかにすることを目的とした。本研究課題を通してケイ酸チャネルの構造を原子レベルで解明することができ、これまでに全く予想されていなかったケイ酸透過に重要なアミノ酸残基等を明らかにすることができた。得られたケイ酸チャネルの構造に基づいて、ケイ酸チャネルの機能解析や計算機シミュレーションを行うことで、どのようにしてケイ酸がケイ酸チャネル内を通っていくのかを詳細に理解することができるようになった。

研究成果の学術的意義や社会的意義

穀物のケイ酸チャネルを働けなくすると、イネは様々なストレスに弱くなり、米の収量が通常の10分の1にまで低下します。また、ケイ酸チャネルは有毒なヒ素の取り込み経路でもあることが示されてきました。そのため、ケイ酸チャネルの基質透過機構を詳細に理解して、より頑健で、有害なヒ素を取り込まない安全なイネを作出しようという流れがありました。しかし、ケイ酸チャネルの構造は未知であり、詳細な基質透過機構は不明でありました。本研究課題でケイ酸チャネルの詳細な構造を解明することに成功し、その基質透過機構を詳細に理解できるようになりました。この知見を活用し、頑健で安全なイネの作出が進むと期待されます。