名古屋大學社生命轉化分子研究所（Institute of Transformative Bio-Molecules（ITbM））的木下俊則教授、佐藤綾人特任副教授、相原悠介特任講師等人組成的研究團隊宣佈，與關西學院大學理學部的村上慧副教授等共同發現了能夠抑制植物氣孔開放的天然化合物。這種化合物透過十字花科植物中含有的異硫氰酸苄酯（BITC）抑制作爲氣孔開放引擎的細胞膜質子泵的作用來抑制氣孔開放。此外，研究團隊還成功透過改變該化合物的結構，在提高活性的同時抑制了副作用。這一成果有望應用於農作物抗旱劑和鮮切花保鮮劑的開發。相關研究成果已發表在國際學術期刊《Nature Communications》5月15日號上。
植物的表皮上有很多氣孔，負責吸收光合作用所需的二氧化碳等氣體進行氣體交換。氣孔由一對保衛細胞組成，響應太陽光中的藍光而開啟，因黑暗條件和乾旱壓力下生物合成的植激素脫落酸而關閉。
此前，研究團隊已經明確了氣孔開放的主要機制，同時還透過基因改造植物的實驗證實了，透過促進氣孔開放可增加植物體的光合作用活性和產量，並且氣孔容易關閉的植物抗旱性更強。另一方面，由於基因改造植物難以普及，爲了在不依賴基因改造的情況下控制氣孔開放，研究團隊篩選了3萬種影響氣孔開放的化合物，並報告了氣孔開放抑制劑SCL。儘管已證實將SCL噴灑在玫瑰葉剖切上會抑制凋萎，但由於SCL只對特定的植物種類起作用，因此存在活性弱的問題。
此次，名古屋大學的研究團隊尋找了以更低濃度廣泛作用於植物物種、毒性低且有效抑制植物氣孔開放的化合物。還採用在氣孔研究中使用的圓葉鴨跖草（Commelina benghalensis）的氣孔，結合上次的篩選，對380種現有化合物庫進行了再篩選。
篩選的結果發現了異硫氰酸苄酯（BITC）。BITC是一種苯環上帶有一個NCS（異硫氰酸酯）基的化合物，常見於山葵和山葵等的辛辣成分，是十字花科植物的天然代謝產物。已知其植物體具有防害蟲和抗細菌及真菌的效果，但在植物内部的作用機制尚未明確。
研究團隊將一種強行激活細胞膜質子泵的藥物塗到圓葉鴨蹠的氣孔時，氣孔大半徑張開，但如果事先塗上BITC，則氣孔就不會張開。作爲細胞膜質子泵活性化指標的磷酸化也受到事先塗有BITC的氣孔和葉肉細胞的抑制。
研究團隊將BITC直接塗在菊花的鮮切花葉子上並去水後，與（未塗抹）對照組進行比較後發現，塗有BITC的菊花的枯萎得到了抑制。
研究團隊還進一步研究了提高BITC活性的化合物的開發，與關西學院大學的村上副教授共同製作了40種在BITC上附加了各種官能基的化合物，並驗證了其效果。
結果顯示，添加了多個NCS基的化合物的類似物（超級ITC）的活性相較於BITC得到飛躍性的提高。具有兩個NCS基的m-Bis-BITC 表現出17倍的活性，而具有3個NCS基的Tris-BITC表現出66倍的活性。此外，這種活性在m-Bis-BITC中也高於脫落酸，可用BITC的50分之1的用量，對菊花的鮮切花起到抑制枯萎的效果。此外，相較脫落酸效果持續時間更長（48小時以上），並且副作用（葉片梢枯萎）也得到減輕。
在一項使用種植在土壤中的白菜杯苗的實驗中，相比對照組（未塗抹）在去水後24小時内枯萎，塗了m-Bis-BITC的白菜在經過相同時間後仍然保持水分，並證實可以在長時間内獲得抗旱性。此外還證實，即使持續塗抹在植物上也不會對成長產生不良影響。
即使是超級ITC，效果也會在幾天内消失，因此被認爲具有高度安全。據研究團隊稱，今後在與合作公司促進產品化的同時，還將進一步推進篩選和安全評估。
原本就是一種香料
相原特任講師表示：「在應用方面，由於這種化合物原本就是作爲香辛料在人類飲食文化中司空見慣的物質，所以即使在人類攝取的食物用途方面，也可期待開發出確保安全的保鮮劑等。至於超級ITC，則有望被應用於鮮切花等的保鮮，以及賦予乾旱地農作物抗旱性等廣泛的植物和應用領域。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Nature Communications
論文：Identification and improvement of isothiocyanate-based inhibitors on stomatal opening to act as drought tolerance-conferring agrochemicals
DOI：10.1038/s41467-023-38102-7
