埼玉大學研究生院理工學研究科的高橋大輔助教等和大阪公立大學研究生院理學研究科的曾我康一教授、東京工業大學生命理工學院的城所聰助教等人組成的研究團隊與樂卓博大學（澳大利亞）、馬克斯·普朗克植物分子生理學研究所（德國）聯合發表研究結果稱，存在於植物細胞壁中的多醣「β-1，4-半乳聚糖」會透過低溫馴化而增加，提高「過冬準備」中的抗凍性。「β-1，4-半乳聚糖」會在能夠低溫馴化、相對抗凍性較高的多個植物物種的細胞壁中積累。研究人員在解析其構造的同時，證實了這種多醣積累降低的擬南芥突變體的抗凍性顯著性降低。這一成果將有助於提高農作物的抗寒性。相關成果被刊登於國際學術雜誌《Current Biology》2月8日號上。
圖1. 低溫馴化植物和未馴化植物的抗凍性差異
擬南芥透過低溫（4℃）初步處理可在-10℃下存活。（供圖：埼玉大學）
成長在寒冷環境中的植物爲了在嚴酷的結凍環境中生存下來，當感知到大氣溫度下降時，就會進行提高抗凍性的「過冬準備」，這一程序被稱之爲「低溫馴化」。在這一程序中，人們發現了以葡萄糖爲主的低分子糖的積累和細胞膜脂質組成發生變化，抗凍蛋白出現積累。然而，對構成最花粉外壁的細胞壁的變化卻知之甚少。
此次，研究團隊重點研究了構成細胞壁的多醣。構成細胞壁的多醣主要是果膠、半纖維素和纖維素，它們分別是由各種單醣成鏈狀而構成的多醣。
首先，對於能夠低溫馴化的相對抗凍性高的蔬菜（豌豆、菠菜、日本芥菜、茼蒿），研究人員從磨碎的組織中提取細胞壁，分解多醣並分析了單醣的組成。隨後又調查了低溫（4℃）馴化後的變化。
結果發現，經過低溫馴化後，細胞壁中主要多醣之一的果膠中半乳糖（單醣）的比例增加。另外，半乳糖被認爲是來源於果膠側鏈中的「β-1，4-半乳聚糖」構造。
此外，在樣本植物擬南芥中透過免疫染色使「β-1，4-半乳聚糖」視覺化後發現，在低溫處理程序中，整個組織的累積量隨着時間的推移而增加。透過降解酶和氣相層析圖質譜儀進行的糖鏈結合分析等也證實了同樣的結果。
已知「β-1，4-半乳聚糖」是在生物活體內經過2次酶（GALS 和 UGE）降解後產生的。
因此，研究人員調查了低溫馴化導致的這些酶的基因表現量的變化後發現，隨着低溫馴化，基因表現量迅速增加。
爲了驗證「β-1，4-半乳聚糖」積累的意義，研究人員使用了其合成量降低的擬南芥突變體來研究低溫馴化後的抗凍性。
結果證實，與野生株相比，突變體在低溫馴化後的抗凍性（零下10℃）降低。
當使用拉力試驗器檢測低溫馴化的野生株和突變體葉片的細胞壁的物理可用能強度時，發現野生株的葉片變硬。相比之下，突變株沒有發生變化。
研究表明，低溫馴化誘導的主要轉錄調控因子DREB1/CBF和植激素（ABA：脫落酸）也有可能參與其中。
高橋助教表示「在低溫馴化程序中，細胞壁成分‘β-1，4-半乳聚糖’增加的現象可能是廣泛存在於雙子葉植物中的響應。如果我們能利用此次的發現來了解‘β-1，4-半乳聚糖’相關的詳細生理機能，就有可能將其應用在改變各種植物的耐壓性上。另外，在瞭解氣候變遷對植物的影響的基礎上，今後還將着眼於因大氣溫度擧升而解除低溫馴化的程序。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Current Biology
論文：Structural changes in cell wall pectic polymers contribute to freezing tolerance induced by cold acclimation in plants
DOI：10.1016/j.cub.2024.01.045
