軽くて強くてしなやかな花粉エキシンの立体構造の構築機構とその力学的特性

• Project Area: Elucidation of the strategies of mechanical optimization in plants toward the establishment of the bases for sustainable structure system
• Project/Area Number: 19H05362
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 石黒 澄衛 名古屋大学, 生命農学研究科, 准教授 (50260039)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000); Fiscal Year 2020: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2019: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
• Keywords: 花粉 / 細胞壁 / 多糖 / FIB-SEM / 立体構造 / イメージング / 細胞内小胞輸送 / ペクチン / 花粉壁の立体構造 / ヘミセルロース / シロイヌナズナ / アラビノガラクタンタンパク質 / ライブイメージング / 植物遺伝子機能 / 突然変異体

Outline of Research at the Start

花粉を取り囲む細胞壁はエキシンと呼ばれ、軽量かつ頑丈で、外界のストレスから花粉を保護する役割を持つ。この立体構造がなぜ頑丈なのかを力学的に検証し、ドームやカプセルの建築デザインへの応用を目指す。一方、エキシンは植物の種類ごとに構造が決まっていることから、遺伝子によって規定される構造であると考えられる。立体構造を規定する遺伝子とは具体的にどのようなものであるのかを明らかにするため、エキシンの構造が崩れてしまった突然変異体の原因遺伝子を同定してその機能を解析する。特に、発達中の花粉を取り囲むタペート細胞で働く遺伝子に注目して研究を進める。

Outline of Annual Research Achievements

シロイヌナズナの花粉の外殻構造である網目状エキシンは、例えば膨圧の変化で花粉が収縮したり膨張したりする場合でもフレキシブルに変形し、決して潰れることはなく内部の配偶子を守っている。今年度は収束イオンビーム-走査型電子顕微鏡法（FIB-SEM）を用いてシロイヌナズナのエキシンの微細構造の三次元イメージングに取り組み、サンプルの前処理方法や染色法を工夫することで、ナノメートルスケールの微細なエキシンの構造を立体画像として取得する方法を確立した。今後は力学的強度が低下した突然変異体の花粉の観察を行い、どのような構造変化が起きているかを野生型と比較検討して、しなやかさと強さを持つ構造を作るためにどのようなしくみが働いているのかを解明したい。
エキシンの強度が低下した花粉を作る突然変異体の解析も行なった。今年度解析した突然変異体の花粉は網目サイズが野生型よりも大きくなっており、網状構造を持ち上げる柱状構造の長さがバラバラだったりまっすぐ立ち上がっていなかったりしたため、網そのものも平滑な局面を作れず歪んでしまっていた。原因遺伝子は細胞内小胞輸送の制御因子であり、若い花粉の表面で網の目を作るのに働くキシランなどの多糖の生合成や分泌に影響している可能性がある。実際、キシランの量は野生型よりも減少していた。このことは網の目が大きくなる表現型とは一見矛盾するのだが、キシランが減ったこと以上にペクチンが増加しており、それが大きな網の目の形成に寄与したと推定された。本研究より、ペクチンも網の目の形成に重要な役割を持つことが明らかになった。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 上海交通大学(中国)
• [Int'l Joint Research] 上海交通大学(中国)
• [Int'l Joint Research] La Trobe University(オーストラリア)
• [Journal Article] NERD1 is required for primexine formation and plasma membrane undulation during microsporogenesis in Arabidopsis thaliana (2020)
  • Author(s): Xu Dawei、Mondol Palash Chandra、Ishiguro Sumie、Shi Jianxin、Zhang Dabing、Liang Wanqi
  • Journal Title: aBIOTECH Volume: 1 Issue: 4 Pages: 205-218
  • DOI: 10.1007/s42994-020-00022-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Gateway binary vectors with organelle-targeted fluorescent proteins for highly sensitive reporter assay in gene expression analysis of plants. (2019)
  • Author(s): Sultana, M.M., Dutta, A.K., Tanaka, Y., Aboulela, M., Nishimura, K., Sugiura, S., Niwa, T., Maeo, K., Goto-Yamada, S., Kimura, T., Ishiguro, S., Mano, S., and Nakagawa, T.
  • Journal Title: Journal of Biotechnology Volume: 297 Pages: 19-27
  • DOI: 10.1016/j.jbiotec.2019.03.015
  • NAID: 120006845280
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] シロイヌナズナの花粉エキシンの微細構造の可視化とその形成機構の解明 (2020)
  • Author(s): 松岡耕汰, 江﨑恭子, 保富正行, 鈴木孝征, 檜垣匠, 石黒澄衞
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Remarks] 名古屋大学大学院ん生命農学研究科 生物化学研究室ウェブサイト
  • URL: https://www.agr.nagoya-u.ac.jp/~biochem/