植物の上下軸の決定と上下軸に沿ったパターン形成を担う分子機構

• 研究課題/領域番号: 19H03243
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分44030:植物分子および生理科学関連
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 植田 美那子 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (20598726)
• 研究分担者: 金岡 雅浩 名古屋大学, 理学研究科, 講師 (10467277)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円); 2021年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2020年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2019年度: 11,180千円 (直接経費: 8,600千円、間接経費: 2,580千円)
• キーワード: 植物受精卵 / ライブイメージング / 体軸形成 / 植物 / パターン形成 / 受精卵 / 胚発生

研究開始時の研究の概要

受精は個体発生の原点である。研究代表者らは近年、植物において受精卵から始まる胚発生過程のライブイメージングに世界で初めて成功した。その結果、受精卵の極性化や胚のパターン形成がダイナミックかつ秩序だった様式で起こることを見出した。しかし、何が受精卵の極性化方向を決め、どのように細胞分裂パターンが決まるのかといった、本質的な点がいまだ謎のままである。
そこで本研究では、高精細なライブイメージング解析によって、生きた受精卵や胚の内部で起こる現象を網羅的に可視化するとともに、大規模な遺伝子発現解析を行うことで、それらの現象を制御する遺伝子をも突き止める。

研究成果の概要

胚の上下軸の形成は、個体発生の原点である。しかし植物では、その過程の詳細はほとんど分かっていなかった。そこで、研究代表者らはシロイヌナズナを用いて、詳細なライブイメージングを進めた（Matsumoto et. al., 2021）。精細胞と卵細胞の融合を調べるために、精細胞のマーカー株を作出し（Shiba et. al., 2023）、受精卵は精細胞侵入点である細胞上部に向けて伸長することを突き止めた（Kang et. al., 2023）。加えて、化合物スクリーニングによって、受精卵の上下分裂を損なう薬剤も見出した（Kimata et. al., 2023）。

研究成果の学術的意義や社会的意義

研究代表者らは、植物の受精卵が上下に極性化する動態をリアルタイムで観察することに成功した。さらに、細胞内のダイナミックな動きや制御が、上下軸形成の起点である受精卵の不等分裂に必須であることも突き止めた。多くの植物において、受精卵は上下に不等分裂することで植物体の上下軸を確立することから、本研究で見出された因子や明らかとなった仕組みは、植物に共通した原理であると期待される。

研究成果

• [国際共同研究] Wageningen University(オランダ)
• [国際共同研究] Wageningen University(オランダ)
• [雑誌論文] Coordinate Normalization of Live-Cell Imaging Data Reveals Growth Dynamics of the <i>Arabidopsis</i> Zygote (2023)
  • 著者名/発表者名: Kang Zichen、Matsumoto Hikari、Nonoyama Tomonobu、Nakagawa Sakumi、Ishimoto Yukitaka、Tsugawa Satoru、Ueda Minako
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: - 号: 11 ページ: 1279-1288
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad020
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Novel inhibitors of microtubule organization and phragmoplast formation in diverse plant species (2023)
  • 著者名/発表者名: Kimata Yusuke、Yamada Moe、Murata Takashi、Kuwata Keiko、Sato Ayato、Suzuki Takamasa、Kurihara Daisuke、Hasebe Mitsuyasu、Higashiyama Tetsuya、Ueda Minako
  • 雑誌名: Life Science Alliance 巻: 6 号: 5 ページ: e202201657-e202201657
  • DOI: 10.26508/lsa.202201657
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Behavior of Male Gamete Fusogen GCS1/HAP2 and the Regulation in Arabidopsis Double Fertilization (2023)
  • 著者名/発表者名: Shiba Yuka、Takahashi Taro、Ohashi Yukino、Ueda Minako、Mimuro Amane、Sugimoto Jin、Noguchi Yuka、Igawa Tomoko
  • 雑誌名: Biomolecules 巻: 13 号: 2 ページ: 208-208
  • DOI: 10.3390/biom13020208
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dynamic Rearrangement and Directional Migration of Tubular Vacuoles are Required for the Asymmetric Division of the <i>Arabidopsis</i> Zygote (2021)
  • 著者名/発表者名: Matsumoto Hikari、Kimata Yusuke、Higaki Takumi、Higashiyama Tetsuya、Ueda Minako
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 62 号: 8 ページ: 1280-1289
  • DOI: 10.1093/pcp/pcab075
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] What is quantitative plant biology? (2021)
  • 著者名/発表者名: Autran D., Bassel GW., Chae E., Ezer D., Ferjani A., Fleck C., Hamant O., Hartmann FP., Jiao Y., Johnston IG., Kwiatkowska D., Lim BL., Mahnen AP., Morris RJ., Mulder BM., Nakayama N., Sozzani R., Strader LC., Tusscher K., Ueda M., Wolf S.
  • 雑誌名: Quantitative Plant Biology 巻: 2 ページ: 10-10
  • DOI: 10.1017/qpb.2021.8
  • 国際共著
• [雑誌論文] Dynamics of the cell fate specifications during female gametophyte development in Arabidopsis (2021)
  • 著者名/発表者名: Susaki Daichi、Suzuki Takamasa、Maruyama Daisuke、Ueda Minako、Higashiyama Tetsuya、Kurihara Daisuke
  • 雑誌名: PLOS Biology 巻: 19 号: 3 ページ: 3001123-3001123
  • DOI: 10.1371/journal.pbio.3001123
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mitochondrial dynamics and segregation during the asymmetric division of Arabidopsis zygotes (2020)
  • 著者名/発表者名: Kimata Yusuke、Higaki Takumi、Kurihara Daisuke、Ando Naoe、Matsumoto Hikari、Higashiyama Tetsuya、Ueda Minako
  • 雑誌名: Quantitative Plant Biology 巻: 1
  • DOI: 10.1017/qpb.2020.4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A new role for histone demethylases in the maintenance of plant genome integrity (2020)
  • 著者名/発表者名: Antunez-Sanchez Javier、Naish Matthew、Ramirez-Prado Juan Sebastian、Ohno Sho、Huang Ying、Dawson Alexander、Opassathian Korawit、Manza-Mianza Deborah、Ariel Federico、Raynaud Cecile、Wibowo Anjar、Daron Josquin、Ueda Minako、Latrasse David、Slotkin R Keith、Weigel Detlef、Benhamed Moussa、Gutierrez-Marcos Jose
  • 雑誌名: eLife 巻: 9
  • DOI: 10.7554/elife.58533
  • NAID: 120007179207
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Intracellular dynamics and transcriptional regulations in plant zygotes: a case study of Arabidopsis (2020)
  • 著者名/発表者名: Kimata Yusuke、Ueda Minako
  • 雑誌名: Plant Reproduction 巻: - 号: 2 ページ: 89-96
  • DOI: 10.1007/s00497-020-00389-7
  • 査読あり
• [学会発表] Live-cell imaging of body axis formation in plant embryos. (2022)
  • 著者名/発表者名: Ueda M.
  • 学会等名: Japan-Singapore Joint Meeting 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Live-cell imaging of the polarization dynamics of plant zygote. (2021)
  • 著者名/発表者名: Ueda M., Kimata Y., Matsumoto H., Higaki T., Komatsu T., Tanaka S., Kurihara D., Higashiyama T.
  • 学会等名: 第44回日本分子生物学会年会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Live-cell imaging of the polarization dynamics of plant zygote: Polar vacuolar distribution is essential for accurate asymmetric division. (2019)
  • 著者名/発表者名: Ueda M., Kimata Y., Kato T., Higaki T., Kurihara D., Segami S., Morita MT., Maeshima M., Hasezawa S., Higashiyama T.
  • 学会等名: 第42回日本分子生物学会年会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Live-cell imaging of the intracellular dynamics of Arabidopsis zygote. (2019)
  • 著者名/発表者名: Kimata Y., Higaki T., Kurihara D., Kato T., Segami S., Morita MT., Maeshima M., Hasezawa S., Higashiyama T., Tasaka M., Ueda M
  • 学会等名: Plant Morphodynamics
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 東北大学生命科学研究科植物細胞動態分野
  • URL: http://www.lifesci.tohoku.ac.jp/PlantCellDyn/