LMD-トランスクリプトーム解析に基づくイネ胚乳細胞の運命特定メカニズムの解明

• Project/Area Number: 19K05968
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 39010:Science in plant genetics and breeding-related
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 服部 束穂 名古屋大学, 生命農学研究科, 教授 (10164865)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2020: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2019: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
• Keywords: 胚乳 / 運命特定 / 細胞分化 / 非対称分裂 / レーザーマイロダイセクション / RNA-seq / 並層分裂 / イネ / アリューロン層 / デンプン性胚乳 / LMD

Outline of Research at the Start

私たちがコメとして食べてるイネ種子の胚乳は、主に、デンプン性胚乳（SE）と最外層にあるアリューロン層（AL）から構成されてる、両組織の細胞は極めて異なる性質を持つ。SE細胞は肥大して不規則な形なのに対し、AL細胞は厚い細胞壁をもち、油脂を多量に貯蔵し、小さく規則正しい形をしている。胚乳が形成される初期においては最外層で分裂した細胞のうち内側に置かれた細胞はSEに外側に置かれた細胞はALになる運命を持つ。本研究ではこのように細胞運命が分かれていくメカニズムを問うものであり、コメの細胞が作られていく仕組みの核心部分に関する研究といえる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、イネ胚乳の内部を占めるデンプン性胚乳細胞（SE）と最外層に位置するアリューロン細胞（SE）という2種類の構成細胞が初期胚乳細胞より分化するメカニズムを中心に、胚乳発生の分子機構を明らかにすることを目的とする。
胚乳の発生は受精中央細胞核の細胞質分裂を伴わない分裂を行い、生じた数千の核が細胞内周に1層に配置された多核細胞（シンシチウム）を形成した後、遊離核間に垂層細胞壁が形成されアルベオリという区画が出来る。アルベオリ層（1 層）は並層分裂により、外側に完全細胞層と内側にまたアルベオリ層を生じる。さらにアルベオリと外側細胞はそれぞれ並層分裂を繰り返す。この過程を細胞化という。この際、最外層における並層分裂では、内側に配置された細胞は、常にSEへの分化運命を辿るのに対し、外側細胞は、再び並層分裂により内側へSE運命を辿る細胞を作り出すとともに最終的にAL細胞に分化する。原理的には、最初の並層分裂は非対称分裂であるが、その実態は未知であった。
前年度までに、アルベオリ層並層分裂後の 2 細胞層期後期には SE および AL 分化につながるAL/SE 運命特定が行われていることを LMD-RNAseq によりつきとめた。本年度は、さらに詳細な時空間的トランスクリプトーム解析を行い、表皮分化のマスターレギュレータ（Type IV HD-ZIP 遺伝子群）が シンシチウム期から発現しており、2 細胞層期後期に外側細胞に発現が限定されることを明らかにした。すなわち、シンシチウム期の核は表皮的性質の発現を開始しているものと推定された。さらに同じトランスクリプトームまた同解析により、AGPL2 など胚乳特異的デンプン合成系遺伝子の発現がシンシチウム期から 1 細胞層期にかけて顕著に上昇することが明らかになり、胚乳としての運命の歩みがアルベオリ（1 細胞層）期からすでに始まっていることを明らかにした。

Research Products

• [Presentation] イネ胚乳形成過程における細胞の分裂と分化に異常を示すabnormal cell division 1 (abc1) 突然変異体の解析 (2020)
  • Author(s): 鈴木俊哉, 伊澤康太郎, 高藤良典, 服部束穂, 野坂実鈴, Kim Nhung Ta, 佐藤（志水）佐江, 佐藤豊
  • Organizer: 日本育種学会第137回講演会
• [Presentation] イネ胚乳発生過程における細胞運命特定機構について (2020)
  • Author(s): 高藤良典，Kim Nhung Ta，鈴木俊哉，佐藤（志水）佐江，高橋（野坂）実鈴，佐藤豊，木村若菜，大岩徹郎，武田真，服部束穂
  • Organizer: 日本育種学会第137回講演会
• [Presentation] イネ胚乳変異体の分子遺伝学的解析 (2020)
  • Author(s): 加藤大和，小林裕子，小林一成，北野英己，武田真，服部束穂
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 「コメのいいところ」 (2019)
  • Author(s): 服部束穂
  • Organizer: 国立遺伝学研究所研究会