2020 Fiscal Year Annual Research Report
根の成長を最適化する根冠組織の特異的機能とその時空間統御
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19H03248
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
中島 敬二 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (80273853)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮島 俊介 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (20727169)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | シロイヌナズナ / 根冠 / 細胞分化 / 細胞剥離 / 根圏 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、根冠内部の位置に応じて構成細胞が機能を転換させる機構、時空間的に統御された物質生産と放出経路が土壌環境との相互作用に果たす役割、および、根冠組織の輪郭を決める機構、の３つの課題に取り組み、以下の成果を得た。
(1) 根冠内の位置に応じて構成細胞が機能を転換させる機構の解明： 我々が開発した水平光軸型動体トラッキング顕微鏡を用いて、根冠細胞内のオルガネラ動態を観察した。内層の重力感受細胞において平衡石として機能するアミロプラストが、最外層の細胞において数時間のうちに急速に消失することが観察された。同時に細胞質も消失し、細胞のほぼ全容積が中心液胞で占められることが明らかとなった。オートファージ―の機能を消失した複数の変異体において、この構造転換が阻害されていることが明らかとなった。以上の成果を学会発表等で公表した。
(2) 時空間的に統御された物質生産と放出経路が土壌環境との相互作用に果たす役割の解明： 根冠細胞は、代謝産物やタンパク質の分泌や、細胞自体の剥離を介して根と土壌環境の相互作用を担うと考えられているが、その分子実体や制御機構の多くは不明である。我々は根冠細胞において、インドールグルコシノレートの代謝酵素遺伝子群が発現しており、それらの発現レベルが病原菌やエリシターの添加により顕著に上昇すること、また発現する細胞の範囲が外層側に拡大することを見出した。以上の成果を学会発表等を通じて公表した。
(3) 根冠組織の輪郭を決める機構の解明： 根冠の先端の輪郭が植物種を問わずカテナリー曲線に収束することを発見し、その機構を変異体を用いた遺伝学的解析と数理生物学の融合研究により明らかにした。成果を学術論文として発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
分子遺伝学・イメージング・数理生物学を駆使することで、根冠が果たす３つの重要な生理機能である、重力感受、分泌、病害抵抗性を支える発生学的・細胞生物学的基盤と、根冠の先端形状を決める仕組みについて、それぞれ重要な知見を得ることが出来た。これらの成果を多くの学会発表と学術論文として発表することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、根冠内部の位置に応じて構成細胞が機能を転換させる機構と、時空間的に統御された物質生産と放出経路が土壌環境との相互作用に果たす役割、の２つの解明に向けた研究を継続する。以下の計画に沿って研究を実施する。
(1) 根冠内の位置に応じて構成細胞が機能を転換させる機構の解明：
根冠の分化と機能発現を制御する３つのNAC転写因子のうち、BRN1とBRN2 （BRN1/2）は根冠の外側2層で特異的に発現し、これらの細胞に特有の分泌経路や生細胞の剥離を冗長的に調節していると考えられている。BRN1/2の発現は、もう１つのNAC転写因子であるSMBにより正に制御されるが、smb機能欠損変異体においてもBRN1/2レポーターの発現は消失しない。そこでこの植物ラインを変異源処理し、M2世代でレポーターの発現が消失する変異体を単離する。得られた変異体と別の系統のシロイヌナズナを交配し、F2世代を用いて原因遺伝子座をラフマッピングする。並行してゲノムリシーケンスを行い、両者の情報を合せて原因遺伝子の候補を得る。またオートファジー変異体において、根冠剥離動態に異常が生じることを見出しており、この原因を探索する。
(2) 時空間的に統御された物質生産と放出経路が土壌環境との相互作用に果たす役割の解明：
根冠組織において、病原菌やエリシター分子が受容される機構と、下流のシグナル伝達機構を明らかにする研究に取り組む。既知の受容体候補遺伝子や、シグナル伝達因子の変異体を用い、病原菌やエリシターに応答した代謝酵素遺伝子の発現応答を野生型植物と比較する。
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