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背景

研究手法・成果

上記の問題に対して、私たちはモデル植物の中で最小のオーキシン信号伝達系を備えるコケ植物苔類に属するゼニゴケをモデルに研究を行いました。私たちはまず、ゼニゴケ唯一のオーキシン受容体相同遺伝子MpTIR1が指定するタンパク質が実際にオーキシン受容体として機能することを、分子遺伝学および生化学的手法、さらにイメージング手法を用いた解析により証明しました(図1)。

次にMpTIR1遺伝子を完全に欠損する遺伝子破壊株^※4を作出し、機能解析を行うことにしました。この実験を行った当初は、オーキシンは植物にとって必須と考えられていたので変異体を作出することはできない(変異体は生存できない)と予想していましたが、予想に反してMptir1変異体は細胞塊として生育し続けることが明らかとなりました(図2)。さらに興味深いことに、この細胞塊では明確な器官は観察されませんでした。網羅的な遺伝子発現解析から、Mptir1変異体では器官分化に機能する遺伝子の発現が低く、幹細胞で機能する遺伝子の発現が高いことが示されました。またMptir1変異体は未分化な発芽胞子と分化した葉状体の中間と言える特徴をもつこと、遺伝子のオーキシン応答性と組織分化の度合いが相関することが示唆されました。このように、Mptir1変異体の表現型は遺伝子発現パターンによっても裏付けられました。これらのことから私たちは、MpTIR1を介したオーキシン信号伝達がゼニゴケの生存には必須ではないものの、3次元的な形態を構築するのに必須であると結論しました。

波及効果、今後の予定

オーキシンは全ての陸上植物において形態形成に重要な役割を果たしています。最近の他の植物での研究と併せて考えると、本研究で明らかにしたオーキシン応答と器官形成の関係は陸上植物の祖先で獲得された共通の仕組みであることが示唆され、今後の陸上植物の発生研究の基盤になると考えられます。陸上植物のほぼ全ての器官は頂端幹細胞周辺の微小な領域で作られており、今後はオーキシンがその中でどのように使い分けられているのか、また幹細胞におけるオーキシン応答を抑制する仕組みを明らかにしていく必要があります。こうした基礎的な研究が、将来的には産業利用の盛んな種子植物を含めた幅広い植物種において、器官の形や数などを緻密に制御する技術につながると期待されます。

研究プロジェクトについて

本研究は以下の研究助成を受けて行われました。

文部科学省/日本学術振興会 科学研究費 新学術領域研究(25113009、19H05675、20H04884)基盤研究(S)(17H07424)、基盤研究(C)(16K07398)、研究活動スタート支援(19K23751、21K20649)、特別研究員奨励費(12J07037、18J12698)、京都大学SPIRITS 2017

用語解説

※1　オーキシン:
植物ホルモンの一つ。主な天然オーキシンは、インドール-3-酢酸。植物の胚発生、根・葉・花などの器官形成、果実の発達、光や重力に対する屈性反応など、植物の成長・発生・環境応答を調節する。

※2　ゼニゴケ:
コケ植物苔類に属する(学名Marchantia polymorpha)。2017年に全ゲノム配列が解読され、実験室での培養や遺伝子改変が容易などの理由から、新たなモデル植物として注目される。

※3　モルフォゲン:
局所的に合成され、その濃度勾配に応じて細胞の分化運命を規定し、発生を司るタンパク質や化合物の総称。

※4　遺伝子破壊株:
遺伝子組換え法を用いて特定の遺伝子を破壊して作成する。従来は相同組換えを利用したジーンターゲッティング法が主流であったが、現在ではゲノム編集により簡便に特定の遺伝子に変異を導入することが可能となった。

研究者のコメント

オーキシンは植物の成長に欠かせないホルモンです。また、人類が最初に発見した植物ホルモンであり、農産業にも広く利用されるなど、私たちにとっても身近な物質です。では、オーキシンをまったく感知できないと、植物はどうなってしまうのでしょうか？本研究では、オーキシン受容体遺伝子を破壊すると植物は形を作れなくなること、それでもなお細胞分裂を続けることを発見しました。今後も、植物体内でオーキシン応答を制御するしくみを研究し、植物の発生原理をより精緻に解明していきたいと考えています。(鈴木秀政)

論文タイトルと著者

題目

Auxin signaling is essential for organogenesis but not for cell survival in the liverwort Marchantia polymorpha (オーキシン信号伝達は苔類ゼニゴケの器官発生に必須だが細胞の生存には必須ではない)

著者

鈴木秀政^1.2、加藤大貴^1.3.4、岩野惠¹、西浜竜一^1.5、河内孝之^1
1京都大学 大学院生命科学研究科
²東北大学 大学院生命科学研究科
³神戸大学 大学院理学研究科
⁴愛媛大学 大学院理工学研究科
⁵東京理科大学 理工学部

掲載誌

The Plant Cell　DOI: 10.1093/plcell/koac367

お問い合わせ先

＜研究に関するお問い合わせ先＞
河内 孝之(こうち たかゆき)
京都大学 大学院生命科学研究科 教授
TEL：090-5971-6958
FAX：075-753-6127
E-mail：tkohchi【＠】lif.kyoto-u.ac.jp

西浜 竜一(にしはま りゅういち)
東京理科大学 理工学部 教授
TEL：080-3507-3121
E-mail：nishihama【＠】rs.tus.ac.jp

加藤 大貴(かとう ひろたか)
愛媛大学 大学院理工学研究科 助教
TEL：089-927-9534
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