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研究ハイライト

植物の受精卵が非対称に分裂する仕組みを発見

このたび、名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所(ITbM)の 植田 美那子 特任講師、東山 哲也 教授、大学院理学研究科の 木全 祐資 大学院生、 栗原 大輔 特任講師、山田 朋美 技術補佐員、大学院生命農学研究科の 瀬上 紹嗣 特任助教、前島 正義 教授、奈良先端科学技術大学院大学の 加藤 壮英 助教、田坂 昌生 教授、熊本大学の 檜垣 匠 准教授、自然科学研究機構基礎生物学研究所の 森田(寺尾)美代 教授、東京大学の 馳澤 盛一郎 教授の研究グループは、植物の受精卵が非対称になる(上下に偏りを作る)仕組みを世界で初めて発見しました。

研究グループでは、植物の細胞の大半を占める水袋(液胞)に注目し、受精卵での液胞の動きをリアルタイムで観察することに初めて成功しました。その結果、受精すると液胞が急速に脱水して小さくなることを発見しました。また、液胞がダイナミックに形を変えながら特定の方向に移動することで、受精卵が非対称になることも分かりました。この仕組みが損なわれると、受精卵が非対称に分裂できなくなるだけでなく、最終的な植物の形も異常になったことから、液胞がダイナミックに動くことの重要性が明らかになりました。今回の発見は、今後、植物の形作りの仕組みを解明する糸口になると期待されます。

本研究成果は、米国の科学専門誌Proceedings of the National Academy of Sciencesのオンライン版で2019年1月15日(火)午前5時(日本時間)に公開されました。

【研究のポイント】

  • 植物の受精卵の中にある液胞を初めてリアルタイムで観察し、非対称に偏る動態を明らかにした。
  • 受精卵内部で上下方向に伸びたアクチン繊維に沿って、液胞が柔軟に形を変えながら、下方向に移動することを発見した。
  • 液胞の移動が、受精卵の非対称な分裂に必要なだけでなく、その後の植物の形作りにも貢献することを突き止めた。

【研究の概要】

 植物の形は複雑で、花や葉、根や茎など、さまざまな器官を有しています。それらの器官の形作りの基礎となっているのは、上下、左右、前後の方向性を決める「体軸」です。多くの植物は同心円状(筒型)の形をしているので、最も重要な体軸は上下軸となります。まず、上下軸を決めたあと、上部には花や葉を作り、下部には根を作る、という形作りを始めます。この上下軸は、植物の元になる最初の細胞である受精卵が上下に分かれる(分裂する)ことで確定されます(図1)。このとき、受精卵は、細胞内に偏りを作り(極性化1))、その結果、上側の小さな細胞と下側の大きな細胞を生み出すという非対称分裂2)を行います。上側の細胞は始原細胞3)として活発な細胞分裂を行い、植物体のほとんどの器官(花、葉、根、茎等)を作る一方で、下側の細胞は支持細胞として、根の一部を作るほかは、始原細胞の成長を支えます。このように、受精卵の極性化と非対称分裂は、植物の形作りの出発点として非常に重要ですが、受精卵がどのように極性を生みだし、どうやって非対称に分裂するのかについては、これまで分かっていませんでした。

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図1. 植物の上下軸が作られる様子 

今回、研究グループは、植物の受精卵の内部構造をリアルタイムで観察し、細胞の大部分を占める液胞4)が柔軟に形を変えながら下方向に移動することで、受精卵が極性化し、非対称に分裂することを初めて発見しました。

【用語解説】

1) 極性化: 細胞の内部にある物質や構造体を特定の場所に集めることで、細胞内を不均一にすること。そうしてできた内部の偏りを極性と呼ぶ。

2) 非対称分裂: 一般的な細胞分裂では、生じた二つの細胞の大きさや働きは同じだが、違う性質をもった細胞を生み出す細胞分裂もあり、これを非対称分裂と呼ぶ。一般的に、非対称に分裂する細胞は、分裂する前にすでに内部に偏り(極性)を持っている。

3) 始原細胞: 活発に細胞分裂を行う未分化な細胞で、動物における幹細胞に相当する。始原細胞の分裂によって生み出された娘細胞群が、さまざまな細胞へと分化することで、組織や器官が作られる。

論文情報:

The article "Polar vacuolar distribution is essential for accurate asymmetric division of Arabidopsis zygotes"by Yusuke Kimata, Takehide Kato, Takumi Higaki, Daisuke Kurihara, Tomomi Yamada, Shoji Segami, Miyo Terao Morita, Masayoshi Maeshima, Seiichiro Hasezawa, Tetsuya Higashiyama, Masao Tasaka and Minako Ueda is published online in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

DOI: 10.1073/pnas.1814160116

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