根の成長・発生ロジックの解明

2015 年度 実績報告書

• 研究領域: 植物発生ロジックの多元的開拓
• 研究課題/領域番号: 25113003
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 深城 英弘 神戸大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (80324979)
• 研究期間 (年度): 2013-06-28 – 2018-03-31
• キーワード: 植物 / 発生・分化 / 遺伝子 / シロイヌナズナ / 突然変異体 / 根

研究実績の概要

維管束植物の根系は、水分・養分の吸収、地上部の支持など、個体の生育にとって重要な役割を果たす。しかし、種によって異なる根系パターンの多様性を生み出す機構など、根の成長・発生の機構には未解明な点が数多く残されている。本研究では、植物が進化させてきた「根の成長・発生ロジック」の解明を目指し、シロイヌナズナおよび近縁種のアブラナ科タネツケバナ属を用いて主に以下の３つの研究項目に取り組む。
＜研究項目１：側根の発生ロジック＞シロイヌナズナの側根形成開始を制御する鍵転写因子LBD16の下流遺伝子のうち、TOLS1（MAKR4）は側根形成開始を正に制御し、TOLS2（分泌型ペプチド）、およびPUCHI（AP2型転写因子）は側根形成開始を負に制御する。また、TOLS2はPUCHIの転写の誘導を介して側根形成頻度を低下させる。本年度、TOLS2-PUCHIによる側根形成抑制シグナリングに関わる受容体候補など、複数の因子を順遺伝学的・逆遺伝学的に同定した。一方、側根原基発生過程のイメージング解析から、側根分裂組織の静止中心確立におけるSCARECROWの役割について明らかにした。
＜研究項目２：放射パターン形成ロジック＞根の皮層と内皮が1層ずつのシロイヌナズナでは解析できない皮層の多層化機構について、根の皮層が２層（皮層２層・内皮１層）からなるタネツケバナ属ミチタネツケバナを用いた解析を行った。皮層・内皮始原細胞の娘細胞における並層分裂の様式に異常を示す変異体として、皮層と内皮があわせて２層になるtwo ground tissue layer（tgr）変異体を解析して、原因遺伝子候補を同定した。
＜研究項目３：根の成長・発生を制御する未知の代謝システム＞根端分裂組織の維持に必須なプラスチド型フルクトース1,6-二リン酸アルドラーゼ1（FBA1）の変異体を用いて、根の成長・発生に関わる代謝物質を同定する目的で、解析サンプルの検討を行った。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究項目１、２に主に力を注いだため、３については当初の目標よりやや遅れたが、おおむね順調に進展している。特に＜研究項目１＞では、側根形成開始を制御する転写活性化因子LBD16の下流において、TOLS2がコードする推定ペプチドがPUCHIの機能を介して側根形成頻度を低下させること、およびTOLS2ペプチドがPUCHIの転写を誘導することに基づき、TOLS2-PUCHIによる側根形成抑制シグナリングに関わる因子を昨年度に引き続き順遺伝学的・逆遺伝学的に同定した。これらの結果から、側根の形成頻度を制御する新たな制御機構の存在を示唆することができ、当初の目標をおおむね順調に達成した。
一方、＜研究項目２＞では、ミチタネツケバナの根の皮層・内皮層の形成に異常のある突然変異体の解析から、皮層・内皮層の形成に必要な遺伝子としてシロイヌナズナSHORT-ROOTのホモログ遺伝子ChSHRに加えて、サイトカイニン受容体遺伝子も皮層・内皮層の形成に関わることが示唆され、当初の目標をおおむね順調に達成した。

今後の研究の推進方策

研究項目１と２については興味深い成果が順調に得られており、側根形成頻度を決定するTOLS2ペプチドシグナリングの実体や、皮層の多層化機構における植物ホルモンの役割について今後明らかにしていく。研究項目３も次年度、共同研究により進展させる。
＜研究項目１＞側根形成開始を制御する転写活性化因子LBD16の下流において、TOLS1が側根形成を正に制御する機構について、TOLS1遺伝子の機能欠損植物を作出し、解析することにより明らかにする。また、PUCHI遺伝子レポーター系統を変異原処理した次世代から、TOLSペプチドによるPUCHI遺伝子レポーターの発現誘導パターンが変化する変異体を複数単離しているので、これらの変異系統について引き続き遺伝学的解析と表現型解析をさらに進めるとともに、原因遺伝子の同定に向けてマッピングおよび次世代シーケンサーによる変異箇所の同定を行う。
＜研究項目２＞ミチタネツケバナから単離した根の皮層・内皮層の形成に異常のある他の突然変異体について、表現型を解析するとともに、原因遺伝子を同定する。
＜研究項目３＞根の成長・発生に関わる代謝物質を同定する目的で、野生型およびfba1変異体における糖代謝産物をメタボローム解析によって定量・比較する。

研究成果

• [国際共同研究] University of Nottingham(United Kingdom)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University of Nottingham
• [国際共同研究] Universite de Montpellier(France)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Universite de Montpellier
• [国際共同研究] VIB(Belgium)
  • 国名: ベルギー
  • 外国機関名: VIB
• [雑誌論文] A coherent transcriptional feed-forward motif model for mediating auxin-sensitive PIN3 expression during lateral root development. (2015)
  • 著者名/発表者名: Chen Q, Liu Y, Maere S, Lee E, Van Isterdael G, Xie Z, Xuan W, Lucas J, Vassileva V, Kitakura S, Marhavý P, Wabnik K, Geldner N, Benková E, Le J, Fukaki H, Grotewold E, Li C, Friml J, Sack F, Beeckman T, Vanneste S.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 6 ページ: 8821
  • DOI: 10.1038/ncomms9821
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Lateral root organ initiation re-phases the circadian clock in Arabidopsis thaliana. (2015)
  • 著者名/発表者名: Voß, U., Wilson, M.H., Kenobi, K., Gould, P.D., Robertson, F.C., Peer, W.A., Lucas, M., Swarup, K., Casimiro, I., Holman, T.J., Wells, D.M., Péret, B., Goh, T., Fukaki, H., Hodgman, T.C., Laplaze, L., Halliday, K.J., Ljung, K., Murphy, A.G., Hall, A.J., Webb, A.A.R. and Bennett, M.J.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 6 ページ: 7641
  • DOI: 10.1038/ncomms8641
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Inference of the Arabidopsis lateral root gene regulatory network reveals a bifurcation mechanism that defines primordia flanking and central zones. (2015)
  • 著者名/発表者名: Lavenus, J., Goh, T., Guyomarc'h, S., Hill, K., Lucas, M., Voss, U., Kenobi, K., Wilson, M., Farcot, E., Hagen, G., Guilfoyle, T.J., Fukaki, H., Laplaze, L. and Bennett, M.J.
  • 雑誌名: Plant Cell 巻: 27 ページ: 1368-1388
  • DOI: 10.1105/tpc.114.132993
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mutations in plastidial 5-aminolevulinic acid biosynthesis genes suppress pleiotropic defect in shoot development of mitochondrial GABA shunt mutant in Arabidopsis. (2015)
  • 著者名/発表者名: Toyokura, K., Yamaguchi, K., Shigenobu, S., Fukaki, H., Tatematsu, K. and Okada, K.
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 56 ページ: 596-608
  • DOI: 10.1093/pcp/pcv050
  • 査読あり
• [学会発表] シロイヌナズナのTOLS1/MAKR4は側根形成の開始を制御する (2016)
  • 著者名/発表者名: 郷達明、横山碧、上原健生、豊倉浩一、三村徹郎、 深城英弘
  • 学会等名: 第57回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 岩手大学（岩手県・盛岡市）
  • 年月日: 2016-03-18 – 2016-03-20
• [学会発表] 根における多層の皮層形成の分子機構の解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 豊倉浩一、三村徹郎、 深城英弘
  • 学会等名: 第57回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 岩手大学（岩手県・盛岡市）
  • 年月日: 2016-03-18 – 2016-03-20
• [学会発表] シロイヌナズナ側根形成に関わるTOLS2 ペプチドによる遺伝子の発現制御に異常を示す変異体の解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 青木優佳、豊倉浩一、篠田明徳、郷達明、石崎公庸、三村徹郎、深城英弘
  • 学会等名: 第57回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 岩手大学（岩手県・盛岡市）
  • 年月日: 2016-03-18 – 2016-03-20
• [学会発表] シロイヌナズナの側根発生を３次元タイムラプスイメージングで視る (2015)
  • 著者名/発表者名: 郷達明、深城英弘、Malcolm J. Bennett
  • 学会等名: 第38回日本分子生物学会年会 第88回日本生化学会大会 合同大会
  • 発表場所: 神戸ポートアイランド（兵庫県・神戸市））
  • 年月日: 2015-12-01 – 2015-12-04
  • 招待講演
• [学会発表] 側根発生の制御機構 (2015)
  • 著者名/発表者名: 郷達明、深城英弘、Malcolm J. Bennett
  • 学会等名: 日本植物学会第79回大会シンポジウム
  • 発表場所: 朱鷺メッセ：新潟コンベンションセンター（新潟県・新潟市）
  • 年月日: 2015-09-06 – 2015-09-08
• [学会発表] 順遺伝学で明らかにするアブラナ科の根の形態進化 (2015)
  • 著者名/発表者名: 豊倉浩一、深城英弘
  • 学会等名: 日本植物学会第79回大会シンポジウ
  • 発表場所: 朱鷺メッセ：新潟コンベンションセンター（新潟県・新潟市）
  • 年月日: 2015-09-06 – 2015-09-08
• [学会発表] シロイヌナズナ側根形成に関わるTOLS2ペプチドによるPUCHIの発現制御機構の解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 青木優佳、豊倉浩一、篠田明徳、郷達明、石崎公庸、三村徹郎、深城英弘
  • 学会等名: 日本植物学会第79回大会シンポジウム
  • 発表場所: 朱鷺メッセ：新潟コンベンションセンター（新潟県・新潟市）
  • 年月日: 2015-09-06 – 2015-09-08
• [学会発表] Dissecting the role of mechanical regulation during lateral root organogenesis (2015)
  • 著者名/発表者名: Tatsuaki Goh, Soazig Guyomarc’h, Hidehiro Fukaki, Laurent Laplaze, Malcolm J Bennett
  • 学会等名: SEB Prague 2015
  • 発表場所: プラハ（オーストリア）
  • 年月日: 2015-06-30 – 2015-07-03
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Visualization of Arabidopsis lateral root organogenesis using 3D time-lapse imaging (2015)
  • 著者名/発表者名: Tatsuaki Goh, Hidehiro Fukaki, Malcolm J. Bennett
  • 学会等名: 日本発生生物学会第48回年会
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県・つくば市）
  • 年月日: 2015-06-02 – 2015-06-05
  • 国際学会
• [備考]
  • URL: http://www.research.kobe-u.ac.jp/fsci-fukaki/fukaki/fukaki_laboratory.html
• [備考]
  • URL: http://www.edu.kobe-u.ac.jp/fsci-biol/faculty/fukaki.html