1 博士論文要旨 ニチニチソウ栽培時の光環境制御による抗がん剤 vinblastine の効率的な生産方法に関する 研究 学籍番号 142215002 氏名 福山太郎 第1章. 序論 ニチニチソウの葉には、抗がん剤として利用されているアルカロイド vinblastine が含まれ ている。vinblastine は、vindoline と catharanthine がカップリングし、3‘, 4’-anhydrovinblastine を介して合成される二量体アルカロイドである（式 1）。自然条件では vindoline と catharanthineのカップリング反応が起こりにくいため、植物体に含まれる vinblastine 濃度は、 極めて低いことが知られている。他方、Hirata et al.（1993）は、vindoline、catharanthine、フ ラビンモノヌクレオチド、マンガンイオンの混合液に紫外線 A 領域（UVA）または青色光 を照射すると非酵素的にカップリング反応が生じ、3‘, 4’-anhydrovinblastine が合成されるこ とを報告している。そこで、本研究では UVA および青色光によるカップリング反応に注目 した。この反応がニチニチソウの葉内部でも生じるとした場合、光照射によるカップリング 反応を起こす前に、反応基質である vindoline と catharanthine 濃度を十分に高めておく必要 がある。また、vinblastine 生産量は株あたり vinblastine 収量で評価を行うため、ニチニチソ ウのバイオマスを大きくする必要がある。
vindoline + catharanthine → 3‘, 4’-anhydrovinblastine → vinblastine・・・・（式 1） 本研究では、ニチニチソウを様々な光条件下で栽培し、vinblastine が効率的に生産される 光条件の探索を行い、光環境制御による vinblastine 生産の可能性を考察した。 第1章. 光質および光強度が生育と vinblastine 前駆体濃度に与える影響 白色蛍光灯下で育苗したニチニチソウを LED を用いた赤単色、青単色、赤青混合光、お よび白色蛍光灯下で 28 日間栽培を行った。光強度は 150 μmol m-2 s-1とした。結果、生育は 赤単色光区で最も大きくなった。アルカロイドの測定を行ったところ、vinblastine は検出さ れなかった。vindoline と catharanthine 濃度は、光質処理区間でほとんど差が無かった。以上 の結果、株あたりの vindoline、catharanthine、総アルカロイド収量は赤単色光区で最も高く なるため、赤単色光での栽培が vinblastine 前駆体の生産に最も適していた。 異なる光強度の赤単色光下でニチニチソウを 28 日間栽培した。はじめに、75、150、300、 600 μmol m-2 s-1の光強度処理を行ったところ、生育は 300 μmol m-2 s-1で大きく、vindoline お よび catharanthine 濃度は 150 μmol m-2 s-1で大きかった。加えて、600 μmol m-2 s-1で栽培され た株は、vindoline および catharanthine 濃度が最も低く、下位葉が黄化するような生理傷害が 観察された。次に、150、250、300、350 μmol m-2 s-1の光強度処理を行ったところ、生育は 光強度の最も高い 350 μmol m-2 s-1で最も大きく、vindoline および catharanthine 濃度は光強 度の最も小さい 150 μmol m-2 s-1で最大になった。そのため、最適な赤色光の光強度は生育
2 が大きかった 350 μmol m-2 s-1とアルカロイド濃度が高かった 150 μmol m-2 s-1の間に存在す ると予想された。 第2章. 赤色光下で生育したニチニチソウに対する紫外線 A 領域および青色光照射が vinblastine生産に与える影響 vinblastine前駆体の生産に有効な赤単色光下で 28 日間栽培したニチニチソウに 150 μmol m-2 s-1の赤色光を補光した 5 W m-2の UVA（UVA+R）または 150 μmol m-2 s-1の青単色光を ７日間照射した時、vinblastine が蓄積するか調査を行った。vinblastine 濃度を分析したとこ ろ、UVA＋R 処理区で処理 3 日後から急激に増加し、7 日で最大になった。本研究では、市 販されている園芸品種（Titan）を用いて実験を行ったものの、vinblastine濃度の最大値はDutta
et al.（2005）が報告する屋外で栽培された薬用品種（Dhawal）の vinblastine 濃度に匹敵し
た。他方、生育は処理期間中すべての試験区で増加するものの、光質による差は生じなかっ た。そのため、UVA＋R 処理区の 7 日で株あたりの vinblastine 収量は最大であった。 これらの結果から、赤単色光で栽培したニチニチソウに 3 日以上 UVA 照射を行うことが 最も vinblastine 生産に適していた。 UVA＋R または青単色光照射を行ったときの上位葉と全葉に含まれる vinblastine 濃度を 比較したところ、光処理および処理日数に関係なく上位葉で vinblastine 濃度が高かった。全 葉には、老化した葉や葉の相互遮蔽によってほとんど UVA や青色光を受光できていない葉 が存在するため vinblastine 濃度が低くなったと考えられた。 第3章. 赤色光の光強度、UVA 強度、葉の老化が vinblastine 生産に与える影響 150 と 300 μmol m-2 s-1の赤単色光で栽培したニチニチソウに UVA 照射したときの vinblastine濃度に与える影響を調査した。全葉に含まれる vinblastine 濃度は 150 μmol m-2 s-1 で栽培した株で高くなった。300 μmol m-2 s-1で栽培された株は、150 μmol m-2 s-1で栽培され た株と比べてバイオマスは大きくなったが、株内での葉の相互遮蔽も大きくなったと考え られた。そのため、下位葉への UVA 到達度が低下したことで、300 μmol m-2 s-1で栽培され た株の vinblastine 濃度は低下したと考えられた。一方で、vinblastine 収量は光強度による差 がほとんどなかった。 赤単色光で栽培したニチニチソウの葉から作成したリーフディスクを 0、1、5、10 W m-2 の UVA に赤色光を補光した処理区で 5 日間培養した時の vinblastine 濃度を調査した。 vinblastine濃度は UVA 強度が高まるに従って直線的に増加した。植物の葉は 500 nm 以下の 光をほとんど透過しないことが知られている。そのため、葉の相互遮蔽の影響でほとんど UVA が到達していない下位葉では vinblastine 濃度が低下していると考えられた。また、最 適な UVA 強度は 10 W m-2以上と予想された。 赤単色光で栽培した株の第 2、3、4 葉から作成したリーフディスクを赤色光を補光した UVA処理区で 5 日間培養した時の vinblastine 濃度を調査した。最も葉齢の若い第 4 葉で最
3 も vinblastine 濃度が高く、次に第 3、2 葉と葉の老化に従って vinblastine 濃度は低下した。 以上の結果、UVA の届きにくい下位葉かつ、老化した葉では vinblastine がほとんど蓄積 しないと予想された。そのため、vinblastine 生産には若い上位葉のみを利用することが好ま しいと考えられた。 第4章. 総合考察 Gholamhoss et al.（2011）の圃場栽培における結果と本研究で行った赤色光で 28 日間栽培 を行った株に、7 日間 5 W m-2の UVA 照射する栽培方法（第 3 章の方法）の 1 m2あたり vinblastine年間生産量を比較した。その結果、後者は前者に比べておよそ 1.9 から 4.7 倍多 く vinblastine を生産できると推定された。さらに、後者の方法では UVA 強度を高めること でより vinblastine を増産することが可能であると考えられた。
加えて、若い上位葉のみを利用する効率的な vinblastine 生産方法として、cultivation method 1および 2 が考えられた。cultivation method 1 は、第 1 葉展開時のような生育ステージが若 い段階の植物体に UVA 照射を行う方法である。この方法は、植物体が小型のため密植栽培 することが可能である。そのため、単位面積あたりの vinblastine 収量が第 3 章の方法より多 くなると見込まれた。また、栽培期間を短くできるため、年間の栽培回数を増やすことが可 能である。cultivation method 2 は、若い上位葉を赤単色光下で展開させ、その後 3 日以上 UVA 照射を行い、vinblastine 濃度の高い上位葉のみを収穫する方法である。この方法では、株を 収穫せずに繰り返し上位葉の収穫を行う。上位葉の展開期間は株の栽培期間より圧倒的に 短いことから、年間の収穫回数が増えるため、vinblastine 生産量の増加が見込まれた。 cultivation method 1および 2 について栽培期間と vinblastine 濃度について本研究データを基 に数値を仮定して 1 m2あたり vinblastine 年間生産量のシミュレーションを行った。その結 果、Gholamhoss et al.（2011）の結果と比べて、cultivation method 1 は 4.2 から 10.4 倍、cultivation method 2は 2.2 から 5.4 倍 vinblastine 生産量が多くなると推定された。 これらの栽培方法は、近年注目を集めている植物工場での栽培に適していると考えられ た。植物工場は高い環境制御能力を有しており、年間通して安定した植物生産が行えるシス テムである。特に、cultivation method 1 は、人工光型植物工場に適した栽培方法であると考 えられた。人工光型植物工場では、エネルギー利用効率と栽培面の多段化の観点から光源と 栽培面を近接させることが好ましいとされる。この点、若い植物体は草丈が低いため有利で ある。また、人工光型植物工場は、外界と遮断された空間で植物栽培を行うため環境の変動 が極めて小さく抑えることが可能なことから、安定的な vinblastine 生産が可能になると予想 される。 本研究の結論として、赤単色光下でニチニチソウを栽培し、生育ステージが若い段階の株 に対して 10 W m-2以上の UVA 照射を 3 日以上行うことで最も vinblastine を多く生産できる と考えられた。この新しい栽培技術は、外部環境の影響をほとんど受けない人工光型植物工 場での生産に適しており、効率的で安定した vinblastine 生産に寄与すると期待される。
