マメ科フラボノイドの生合成に関わる遺伝子の構造・機能および進化

嶋田 典基

　マメ科植物には，アントシアニンに見られる一般的な 5-ヒドロキシフラボノイドを生産する経路とともに，独特な代謝系として分岐した 5-デオキシイソフラボノイド経路が存在する (Fig. 1)．この独特な経路は，病原微生物に対する防御物質 (ファイトアレキシン) や根粒菌との共生シグナルなど，植物・微生物間で機能する物質を生産する．本研究ではマメ科のフラボノイドの生態機能を理解するために，モデルマメ科ミヤコグサ (Lotus japonicus) のフラボノイド生合成酵素の cDNA を同定した．また，かずさ DNA 研究所との共同研究により各酵素遺伝子の構造を明らかにし，5-デオキシイソフラボノイド経路の進化過程についても重要な知見が得られた．

1. フラボノイド系酵素 cDNA の網羅的クローニング

　ミヤコグサの幼植物体を還元型グルタチオンでエリシター処理すると，イソフラボノイド型ファイトアレキシン vestitol の生産が誘導された．由来の異なるミヤコグサ cDNA を材料に PCR を行い，5-ヒドロキシフラボノイド生合成に関わる酵素および 5-デオキシイソフラボノイド経路の酵素のcDNA を網羅的に取得した．特にフラボノイド骨格からイソフラボノイド骨格の形成反応を触媒する特異な新規シトクロム P450 2,7,4'-trihydroxyisoflavanone synthase (IFS) については，酵母細胞発現系を用いたタンパク質機能の解析から，その cDNA を同定した．

2. 基質特異性の異なる 2 種のカルコン異性化酵素 (CHI)

　5-デオキシイソフラボノイド生合成には広い基質特異性を持つ CHI が必須である．植物一般に存在する I 型 CHI は6'-ヒドロキシ型基質のみを異性化するのに対し，マメ科植物の II 型 CHI は6'-デオキシ型基質をも異性化し，5-デオキシイソフラボノイド生合成を行う．マメ科・非マメ科植物の CHI アミノ酸配列間で保存性の高い領域を利用して PCR を行った結果，I 型および II 型 CHI をコードすると思われる配列を単離した．大腸菌発現系により各 CHI の触媒機能を検討したところ，それらの基質特異性が配列と対応付けられ，初めて同一植物から両型のCHIが同定された．また，CHI遺伝子の解析により，I 型 CHI 遺伝子 1 コピー・II 型 CHI 遺伝子 3 コピーが同一染色体上わずか 15 kb の範囲に集中して存在することが示された (Fig.2)．各 CHI 遺伝子の構造および配列から，5-デオキシイソフラボノイド系遺伝子 II 型 CHI の進化に局所的遺伝子重複が関与したことが初めて具体的に示された．