極限愛好家である陸上植物における生物学的ストレスのシグナル伝達

Abiotic stress signalling in extremophile land plants.

• Pierre-Nicolas Boulc'h
• Emma Caullireau
• Elvina Faucher
• Maverick Gouerou
• Amandine Guérin
• Romane Miray
• Ivan Couée

抄録

植物の生命は、環境ストレスの感知とシグナル伝達機構の複雑な配列に依存しています。極限愛性植物は、寒さ、暑さ、干ばつ、乾燥、塩分濃度などの過酷な環境下で成長・発達し、その結果、独自の適応をもたらしてきた。多系統の植物が起源であることから、極限愛性植物は、植物の環境ストレスシグナル伝達の中核的なメカニズムを持っている可能性が高い。しかし、極限親愛性植物の適応の中で、新たな特性や規則性が生まれた可能性もある。現在の研究では、二次メッセンジャー（Ca2+、リン脂質、活性酸素種）、シグナル伝達（細胞内センサー、プロテインキナーゼ、転写因子、ユビキチン媒介プロテオリシス）、あるいはシグナル伝達のクロストークのレベルで、感覚の違いが指摘されており、制御機構に大きな変化があることが強調されている。ホルモンシグナル、特にABAシグナル、細胞恒常性監視機構、エピジェネティクス機構の関与は、大規模な遺伝子制御、植物全体の統合、そしておそらくストレスメモリーが極限環境への適応の重要な特徴であることを示している。このような極限環境下での植物のシグナル伝達系の進化的・機能的可塑性は、気候変動下での植物バイオテクノロジー、作物改良、生態学的リスク評価に重要な意味を持つ可能性がある。

Plant life relies on complex arrays of environmental stress sensing and signalling mechanisms. Extremophile plants develop and grow in harsh environments with extremes of cold, heat, drought, desiccation or salinity, which have resulted in original adaptations. In accordance with their polyphyletic origins, extremophile plants likely possess core mechanisms of plant abiotic stress signalling. However, novel properties or regulations may have emerged in the context of extremophile adaptations. Comparative omics of extremophile genetic models, like Arabidopsis lyrata, Craterostigma plantagineum, Eutrema salsugineum, Physcomitrella patens, reveal diverse strategies of sensing and signalling that lead to general improvement of abiotic stress responses. Current research points out to putative differences of sensing and emphasises significant modifications of regulatory mechanisms, at the level of secondary messengers (Ca2+, phospholipids, reactive oxygen species), signal transduction (intracellular sensors, protein-kinases, transcription factors, ubiquitin-mediated proteolysis) or signalling crosstalk. Involvement of hormone signalling, especially ABA signalling, cell homeostasis surveillance and epigenetics mechanisms also shows that large-scale gene regulation, whole-plant integration, and probably stress memory are important features of adaptation to extreme conditions. This evolutionary and functional plasticity of signalling systems in extremophile plants may have important implications for plant biotechnology, crop improvement and ecological risk assessment under conditions of climate change.

© The Author(s) 2020. Published by Oxford University Press on behalf of the Society for Experimental Biology. All rights reserved. For permissions, please email: journals.permissions@oup.com.