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植物の基本的な构造は、茎や根のような円筒型です。内侧の维管束と、外侧の表皮とを繋ぐ平面的な内外轴をもつことが、植物のかたち作りにとって重要です。しかし、内外轴がいつ?どのように作られ始めるのかは长年の谜でした。
東北大学の植田美那子教授、広島大学の藤本仰一教授、熊本大学の檜垣匠教授、東京大学の東山哲也教授らの共同研究グループは、モデル植物のシロイヌナズナにおいて、胚の最外層で働くHD-ZIP IV転写因子群を壊すと、内外軸がうまく作れなくなることを見出しました。また、受精卵から胚が次第に作られていく様子を、ライブイメージングによって詳細に追跡した結果、受精卵の第一分裂の直後から、この転写因子群の働きによって細胞が少し横に伸び、核が細胞の底面に位置することや、その後に細胞が左右に分裂し、内外分裂に至ることを発見しました。さらに、細胞のかたちと核の位置によって、数学的に最も安定な場所に分裂面が作られることを突き止めました。
この研究によって、细胞のかたちや核の位置という几何学的な情报をわずかに変化させるだけで分裂方向が决まるという、精緻な戦略が明らかになりました。この発见により、植物の体轴形成への理解が进むと期待されます。
本研究成果はCurrent Biology誌に2024年9月19日付で掲載されます。
植物には、花や叶、根や茎など、さまざまな器官があります。それらのかたち作りの基础となっているのは、上下?左右?前后の方向性を决める「体轴」です。多くの植物の基本的な构造は同心円状(円筒型)なので、左右と前后の区别はなく、内侧の维管束と、外侧の表皮とを繋ぐ平面的な「内外轴」が作られます(図础)。しかし、植物のかたち作りの初期过程である胚発生において、内外轴がいつ?どのように作られ始めるか、全く分かっていませんでした。
东北大学大学院生命科学研究科の花木优河大学院生(修士1年生)と植田美那子教授、名古屋大学大学院理学研究科の田中小百合大学院生(研究当时)、広岛大学大学院统合生命科学研究科の松下优贵研究员(研究当时)、松下胜义特任准教授、鎌本直也研究员、藤本仰一教授、熊本大学大学院先端科学研究部の檜垣匠教授、东京大学大学院理学系研究科の东山哲也教授らの研究グループは、実験に适したモデル植物であるシロイヌナズナを使って、内外轴が作られる仕组みを探りました。
まず、胚の最外層である表皮で働く HD-ZIP IV転写因子群が壊れたhdg11/12 pdf2叁重変异体では、表皮の性质をもつ细胞が胚の内部にも现れるなど、内外の违いをうまく作れなくなることを特定しました(図叠)。
さらに、いつ?どのような変化を経て内外軸が作られるかを調べるために、細胞の輪郭や核に蛍光タンパク質でマーカー(目印)を付け、かたち作りの開始点である受精卵から、胚が作られる様子をリアルタイムで観察しました(ライブイメージング; 図C)。その結果、受精卵の第一分裂によって上側に作られた小さな始原細胞(注1)が、横方向(内外方向)にわずかに成长してから左右に分裂し、その后しばらくすると内外を分ける分裂が起こることを见出しました。また、始原细胞では、核が细胞の底面の近くで保持されることにも気付きました。
この细胞形状や核位置のわずかな変化が、かたち作りにどう影响するかを调べるために、シミュレーション计算を行いました(図顿)。その结果、始原细胞の细胞形状や核位置といった几何学情报をもとに、「核の中?を通り、かつ?积が最?になる分裂?」を算出すると、高い确率で左右分裂する面が选ばれました。また、hdg11/12 pdf2叁重変异体では始原细胞が适切に変形できず、异常な分裂面が选ばれてしまうことも突き止めました。
これらの结果から、始原细胞が形状や核の位置をわずかに変えることが内外轴を作る决め手になるという、植物の精緻な戦略が明らかになりました。
本研究では、植物の内外軸が作られ始める詳細な動態を世界で初めてリアルタイムで観察し、その過程に必要となる転写因子群や、数学的なルールも突き止めました。受精卵から作られる胚だけでなく、植物が成長する過程で茎から分岐する枝や花などの器官も、それぞれの内外軸を独自に設定することで、適切なかたちを生み出します。そこで今後は、本研究が明らかにした「内外軸を作る仕組み」が、ほかの器官にも共通した普遍的な機構かを調べる必要があります。また、育種の際に、有益な親株同士を掛け合わせて作った雑種胚が奇形になって育たない例が多くあり、植物のかたち作りの理解は農業研究にとっても重要です。したがって、今後は本研究をさらに発展させ、HD-ZIP IV転写因子群がどのように細胞の幾何学変化を引き起こすかを解明することで、植物のかたち作りをさらに深く理解できるだけでなく、農業研究にとっても有益な基盤情報を提供できると期待されます。
図. (A)植物の体軸の模式図。(B)表皮で働く遺伝子(緑)と胚全体で働く遺伝子(ピンク)の発現を蛍光標識したシロイヌナズナの胚。野生型と、HD-ZIP IV転写因子群が壊れたhdg11/12 pdf2叁重変异体を示す。(颁)细胞膜を蛍光标识した野生型胚のライブイメージング像。时间は时：分を示す。(顿)コンピュータシミュレーションによる分裂方向の推定。左右分裂する直前の野生型胚の细胞形状と核の位置をもとに、「核の中心を通り、かつ面积が最小になる分裂面」を计算すると、実际の分裂面と同様に左右分裂することが分かる。スケールバーは10マイクロメートル(?尘)を表す。
本研究は下记の支援を受けて行われました。
日本学术振兴会(闯厂笔厂)科学研究费助成事业
新学术领域「植物の周期と変调」(闯笔19贬05670?闯笔19贬05676?闯笔22贬04719)
新学术领域「先端バイオイメージング支援」(闯笔16贬06280)
基盘研究(叠)(闯笔23贬02494?闯笔20贬03289)
国际先导研究「植物生殖の键分子ネットワーク」(闯笔22碍21352)
科学技术振兴机构(闯厂罢)
CREST(JPMJCR2121)
财団助成金
サントリー生命科学财団(厂耻苍搁颈厂贰)
东レ科学振兴会(20-6102)
注1. 始原細胞
受精卵の最初の分裂によって作られる细胞で、活発に细胞分裂を続けることで、植物体のほとんどを作るもとになります。
タイトル：HD-ZIP IV genes are essential for embryo initial cell polarization and the radial axis formation in Arabidopsis
著者： Sayuri Tanaka, Yuuki Matsushita, Yuga Hanaki, Takumi Higaki, Naoya Kamamoto, Katsuyoshi Matsushita, Tetsuya Higashiyama, Koichi Fujimoto, and Minako Ueda*
*责任着者：东北大学大学院生命科学研究科 教授 植田美那子
笔头着者：
名古屋大学大学院理学研究科 田中小百合
掲載誌：Current Biology
顿翱滨：10.1016/箩.肠耻产.2024.08.038
鲍搁尝：
【问い合わせ先】
（研究に関すること）
东北大学大学院生命科学研究科
教授 植田美那子
TEL: 022-795-6713
Email: minako.ueda.e7＊tohoku.ac.jp
広岛大学大学院统合生命科学研究科
教授 藤本仰一
Tel: 082-424-7346
Email: kfjmt＊hiroshima-u.ac.jp
（报道に関すること）
东北大学大学院生命科学研究科広報室
高桥さやか
TEL: 022-217-6193
Email: lifsci-pr＊grp.tohoku.ac.jp
広岛大学広报室
Email: koho＊office.hiroshima-u.ac.jp
熊本大学総务部総务课広报戦略室
TEL: 096-342-3271
Email: sos-kohov＊jimu.kumamoto-u.ac.jp
(＊は半角＠に置き换えてください)
掲載日 : 2024年09月20日
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