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京都府立大学 細胞工学研究室
准教授 武田征士
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京都府立大学の武田征士准教授(细胞工学研究室)、奈良先端科学技术大学院大学の津川暁特任助教(植物代谢制御研究室)らの共同研究グループは、江戸时代から知られている変化アサガオのひとつで、花びらが折れ曲がる「台咲(だいざき)」系统を材料に、花びらがまっすぐに伸びる力学的な仕组みを明らかにしました。花器官表面にあるミクロ构造「分泌腺毛」が、器官どうしの摩擦を軽减することで、狭いつぼみの中でも花びらが伸长できることが分かりました。この仕组みを応用し、観赏用の花の形を自在に制御する园芸技术につながる可能性があります。
図1: 野生型(左)と台咲(右)の花
野生型では花弁がまっすぐ伸长して漏斗状になる。台咲では花弁が2度折れ曲がり、花の中央に筒状の「台」と呼ばれる构造を作る。
花びら伸长のメカニズム
野生型(左)では分泌腺毛とそこからの分泌物によってまっすぐ伸びる。台咲(右)では分泌腺毛がなく、花びらに摩擦が生じ、曲がってしまう。
研究のポイント
- 江戸时代(1815年)に记载された変化アサガオ(※1)のひとつで、花びら(花冠)の筒部分が折れ曲がる「台咲(だいざき)」系統を材料に、花びら伸长のメカニズムを研究しました。
- 花弁とがく片の表面にある分泌腺毛(※2)が、花器官どうしの摩擦を軽减することで、狭いつぼみの中で花びら(花冠)がまっすぐに伸长できることが分かりました。
- 分泌腺毛の役割として、病害虫に対する物理?化学的防御が広く知られていましたが、今回の研究によって「花器官どうしの摩擦の軽减」という力学的机能が初めて示されました。
- 分泌腺毛というミクロ构造が、花びらの形づくりというマクロな过程に重要な役割を果たすことが分かりました。植物表面のミクロ构造を改良することで、花の形を改良できることが示唆されました。
本研究成果は、国際学術誌「Communications Biology(※3)」に掲载されました。
责任着者コメント
今回、日本の伝统园芸植物のひとつであるアサガオの研究により、「花弁をまっすぐ伸ばす」という、一见当たり前のような事が、植物の积极的なメカニズムによって制御されることが分かりました。「変化アサガオ」にはまだまだたくさんの种类があり、日本ならではの研究に结びつく宝が埋もれています。国际化?オンラインネットワークにより世界中とつながることのできる今こそ、日本の歴史が蓄积してきた足元の宝に目を向けるのも、とても大事だと考えています。また、新型コロナウイルスで人々の心がすさんでいきがちですが、こういう时こそ、この研究成果によって、花をみて心癒される人が増えるよう、また、皆さんの花(植物)への関心が高まりますよう、心より愿っております。
(京都府立大学 武田征士)
研究体制
- 京都府立大学大学院生命環境科学研究科 細胞工学研究室
准教授 武田征士
大学院生 下木彩香、大橋恵一郎、戸田真人
学部4回生 長尾実果 - 奈良先端科学技術大学院大学 先端科学技術研究科 バイオサイエンス領域 植物代謝制御研究室
教授 出村拓
特任助教 津川暁 - 国立遺伝学研究所 生物遺伝資源センター 植物育成開発支援部門
技術専門職員 前野哲輝 - 京都産業大学 生命科学部 産業生命科学科
教授 木村成介
博士研究員 坂本智昭 - 広島大学大学院統合生命科学研究科 附属植物遺伝子保管実験施設
助教 信澤岳 - 九州大学大学院理学研究院生物科学部門 植物多様性ゲノム学研究室
准教授 仁田坂英二 - 龍谷大学 農学部
教授 岡田清孝
研究概要
花はなぜ美しいのでしょうか。花が人目を引くのは、そもそも花が昆虫や鸟の目を引くために进化してきたことにヒントがあります。すなわち、花は花粉媒介者である昆虫や鸟へ存在をアピールすることで、自らの生殖を促すために自発的に形を作り変え、その美しい形态を生み出してきたと考えられています。
しかしながら、その形づくりは植物にとって必ずしも容易な作业ではありません。花びらは闭じられたつぼみの中で発达し、非常に狭い限定された空间の中で成长していきます。「花びらがまっすぐに伸びる」という、一见当たり前に思えるプロセスは、実はつぼみ内の器官どうしの接触摩擦を积极的に軽减することで、初めて达成されることが分かりました。
奈良时代に薬草(下剤)として中国より日本に伝わったアサガオは、栽培中に数多くの魅力的な変异体が出现し、江戸时代には大坂や江戸でアサガオの栽培ブームが起こりました。変わった形のものが数多く记録?维持され、现在では1,500系统以上の変化アサガオが、ナショナルバイオリソースプロジェクト(※4)によって、九州大学で収集?保存?提供されています。
開花した時に、花冠(花弁、花びら)の筒の部分(花筒)が折れ曲がってしまう「台咲(だいざき)」系統は、1815年の「花壇朝顔通 第2巻(壺天堂主人)」や「牽牛品類図考(峰岸正吉)」に記載されています(図1)。下の写真は「台咲牡丹」と呼ばれるもので、雄しべ?雌しべが花弁に変わる変異と、花筒が折れ曲がる台咲(図2、cup tubeの部分)が組み合わさることにより、花の中央から花弁が噴き出すような花になっています。
図2 台咲牡丹の花。(左)花の写真。(右)模式図。cup tube部分で折れ曲がることで、花の中から花弁が噴き出すような形になる。
私たちは、この花弁の「折れ曲がり」がどのような仕组みで生じているのかを解析しました。台咲の変异を持つ10系统を调べたところ、どの系统でも花冠の折れ曲がりが确认されました。花冠とがく片の表面を走査型电子顕微镜で観察すると、野生型にある「分泌腺毛(※2)」が、台咲系统では无くなったり、形态が异常になったりしていることが判明しました(図3)。これにより、分泌腺毛が「润滑油」として働く成分を出すことで、狭いつぼみの中で花冠がスムーズに伸长できるという仮説を立てました。
図3 野生型(左)と台咲(右)の花冠表面を走査型电子顕微镜で観察した。野生型には、头部4细胞からなる分泌腺毛があるが、台咲では见られない。
この仮説を数理力学シミュレーションで検証しました。花弁に見立てた円錐状の物体を上部に成長させると、上に向かってまっすぐに伸びます(下図: 摩擦無し)。この際、がく片と花弁の摩擦を想定した力を左上にかけると(図4点線)、その摩擦力の強さに応じて、花弁が曲がっていくことが再現できました。
図4 数理力学シミュレーションによる、花冠屈曲の仕組み。上方向に成長する際、左上部分に摩擦(点線)を加えると、成長しながら屈曲する。数値(0.4, 0.7)は摩擦の強さを、色は摩擦による内部応力変化(赤: 応力集中、青: 応力解放)を示す。
以上の结果から、花弁とがく片の表面にある「分泌腺毛」とそこからの润滑油がなければ、花弁がまっすぐに伸びることができないことが示されました(図5)。花弁がまっすぐに伸びることの生物学的意义は、开花时に目立って花粉を运ぶ虫などに见つけてもらうという生殖的机能や、内侧にある雄しべ?雌しべを风雨等から守る防御的机能が考えられてきましたが、今回の研究で、植物表面の小さなミクロ构造(分泌腺毛)が积极的に摩擦を抑えてマクロな器官の成长を助ける、という力学的および発生生物学的な机能が初めて示されました。今后、分泌腺毛を遗伝子组换えやゲノム编集等によって改変することで、新しい形の花を作り出す园芸技术へ応用することが可能になるかもしれません。
図5 花びら伸长のメカニズム。野生型(左)では分泌腺毛とそこからの分泌物によってまっすぐ伸びる。台咲(右)では分泌腺毛がなく、花びらに摩擦が生じ、曲がってしまう。
用语解説
(※1) 変化アサガオ
様々な形态を示すアサガオの突然変异体。奈良时代に薬草(下剤)として中国より伝わったアサガオは、江戸时代になると数多くの変异体が作られ、大坂や江戸でアサガオの栽培ブームが起きた。现在、ナショナルバイオリソースプロジェクト(狈叠搁笔)の生物资源のひとつになっており、九州大学で1500以上の変化アサガオ系统が维持されている。
(※2) 分泌腺毛
植物の表皮に作られる、代谢物を蓄积する毛。植物表面には多くの毛が作られ、大きく非分泌型と分泌型に分けられる。分泌型の腺毛は、二次代谢物を产生?蓄积し、物理?化学防御に役立っている。例えばミントの叶の表皮には大きな分泌腺毛があり、メンソールなどの成分を蓄积する。
(※3) Communications Biology
2018年に創刊された、Nature Researchが提供するオープンアクセス?ジャーナル。生物科学の全分野における高品質な論文?総説?論評を出版する。(Communications Biology ウェブサイトより引用)
(※4) ナショナルバイオリソースプロジェクト(NBRP)
ライフサイエンス研究の基础?基盘となるバイオリソース(动物、植物、微生物等)について収集?保存?提供を行うと共に、バイオリソースの质の向上を目指し、ゲノム情报等の解析、保存技术等の开発によるバイオリソースの付加価値向上により时代の要请に応えたバイオリソースの整备を行うプロジェクト。文部科学省によって日本医疗研究开発机构(础惭贰顿)によって管理运営されている。アサガオはこのリソース生物のひとつとなっている。(狈叠搁笔より引用)
研究支援
本研究は、文部科学省および日本学術振興会の科学研究費補助金(JP18K06366, JP18H05484, JP18H0548, JP18H04787)文部科学省の私立大学戦略的研究基盤形成支援事業(S1511023)、国立遺伝学研究所NIG-JOINT (44A2020)の支援を受けて行われました。
论文情报
- 掲載誌: Communications Biology
- 論文タイトル: Reduction in organ-organ friction is critical for corolla elongation in morning glory
- 著者名: Ayaka Shimoki, Satoru Tsugawa, Keiichiro Ohashi, Masahito Toda, Akiteru Maeno, Tomoaki Sakamoto, Seisuke Kimura, Takashi Nobusawa, Mika Nagao, Eiji Nitasaka, Taku Demura, Kiyotaka Okada, Seiji Takeda.
- DOI: 10.1038/s42003-021-01814-x
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