維管束-ミロシン細胞のワイヤリングにおけるオーキシンの作用機序

• 研究領域: 細胞システムの自律周期とその変調が駆動する植物の発生
• 研究課題/領域番号: 22H04723
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 奈良先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 白川 一 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (70636969)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 7,540千円 (直接経費: 5,800千円、間接経費: 1,740千円); 2023年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2022年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
• キーワード: 細胞分化 / ミロシン細胞 / 維管束 / 転写因子 / イメージング / シロイヌナズナ / 孔辺細胞 / パターン形成

研究開始時の研究の概要

植物のライフラインである維管束は、種に固有のネットワーク構造をつくって葉全体に分布している。アブラナ科植物は生体防御に特化したミロシン細胞をもち、維管束に沿って同じようなネットワーク構造を作り、維管束を細菌や昆虫から守っている。成長しても栄養と水分を植物全体に供給できるように、植物は葉の拡大に伴いミロシン細胞と維管束を繰り返し周期的に増設し、ライフラインとその防御システムを構築し続ける。これを「維管束ーミロシン細胞のワイヤリング」と呼ぶ。本研究では、維管束ーミロシン細胞のワイヤリングの統合的な理解を目指す。

研究実績の概要

植物は、高度に分化した細胞を適切に配置することで、器官と組織を形成し、環境に適応することで個体としての恒常性を維持している。細胞それ自身の分化と細胞の組み合わせで作られるパターン形成がどのように協調的に制御されているのか、ほとんどよくわかっていない。植物の水と栄養を運ぶ維管束とそれに隣接して分化する生体防御を担うミロシン細胞をモデルに、「周期的に形成されるパターン」と「細胞分化」の関係を調べた。本年度は、総括班の支援を受けて、マスター転写因子FAMAの誘導型過剰発現体を用いたシングル核RNA-seq解析を行った。まず初めに、植物体から核を抽出し、RNAの漏出や分解をできる限り抑えた状態で、解析に必要な核を集める方法を確立した。FAMA-sGFP誘導後24時間の植物体を用いて、GFP陽性と陰性が混ざった状態の核をまとめて回収したサンプルと、GFP陽性の核だけをソーティングしたサンプルの二つのサンプルをFACSで回収し、シングル核RNA-seq解析に使用した。得られたデータからUMAPを作成し、サンプル（幼植物体）に含まれると期待される細胞の種類（葉肉細胞・維管束細胞【伴細胞・維管束前駆細胞・道管細胞など】・表皮細胞・ミロシン細胞）のクラスターが検出できたか検証した。実際に、期待される細胞の特異的マーカーを発現するクラスターが検出できており、核抽出・エマルジョン形成・ライブラリ作成・データ解析に大きな問題がないことがわかった。二つ目に、昨年度確立した葉の深部の細胞の高解像度イメージング法を用いて、さまざまなレポーターの蛍光イメージングを行った。具体的には、ミロシン細胞と孔辺細胞の核膜が光るtranslational fusionラインの観察や、細胞の形を可視化した上で、細胞ごとのDNAの量やセルロースから構成される細胞壁のイメージングを行った。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Stomatal regulators are co-opted for seta development in the astomatous liverwort Marchantia polymorpha (2023)
  • 著者名/発表者名: Moriya Kenta C.、Shirakawa Makoto、Loue-Manifel Jeanne、Matsuda Yoriko、Lu Yen-Ting、Tamura Kentaro、Oka Yoshito、Matsushita Tomonao、Hara-Nishimura Ikuko、Ingram Gwyneth、Nishihama Ryuichi、Goodrich Justin、Kohchi Takayuki、Shimada Tomoo
  • 雑誌名: Nature Plants 巻: 9 号: 2 ページ: 302-314
  • DOI: 10.1038/s41477-022-01325-5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Co-option of the conserved and reduced stomatal transcriptional network FAMA-WASABI MAKER for the myrosinase-glucosinolate defense system (2023)
  • 著者名/発表者名: Makoto Shirakawa, Tomoki Oguro, Shigeo S. Sugano, Shohei Yamaoka, Mayu Sagara, Mai Tanida, Kie Kumaishi, Soma Yoshida, Mutsumi Watanabe, Takayuki Tohge, Takamasa Suzuki, Yasunori Ichihashi, Atsushi Takemiya, Nobutoshi Yamaguchi, Takayuki Kohchi, Toshiro Ito
  • 学会等名: ICAR2023
  • 国際学会