根の成長・発生ロジックの解明

2016 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, 理学研究科, 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 / 根 / 突然変異体

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タネツケバナ属ミチタネツケバナを用いて以下の３つの研究項目に取り組んだ。
＜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。TOLS2は分泌型ペプチドをコードしており、PUCHIの機能を一部介して側根形成密度を低下させる。本年度、TOLS1遺伝子の機能欠損植物を作出し、解析を行った。また、順遺伝学的・逆遺伝学的に同定したTOLS2-PUCHIによる側根形成抑制シグナリングに関わる受容体や複数の因子について発現および機能解析を行った。
＜研究項目２：放射パターン形成ロジック＞根の皮層の多層化機構を明らかにする目的で、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て、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単離したsingle ground tissue layer（sgr）変異体、およびtwo ground tissue layer（tgr）変異体を解析した。
＜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）の変異体の表現型解析を行った。

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がコードする低分子分泌型ペプチドがPUCHIの機能を一部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。これらの解析から、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が皮層・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さらに明らかにしていく。研究項目３も引き続き進展させる。
＜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の解析により明らかにする。また、TOLS2-PUCHIによる側根形成抑制シグナリングの機構を明らかにするため、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複数の変異体について引き続き遺伝学的解析と表現型解析を進めるとともに、原因遺伝子の同定と解析を行う。
＜研究項目２＞ミチタネツケバナの根の皮層多層化機構におけるサイトカイニンの役割を、tgr変異体の解析や原因遺伝子の発現解析・機能解析から明らかにする。
＜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] Cell-specific localization of alkaloids in Catharanthus roseus stem tissue measured with Imaging MS and Single cell MS. (2016)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, K., Takahashi, K., Mizuno, H., Anegawa, A., Ishizaki, K., Fukaki, H., Ohnishi, M, Yamazaki, M., Masujima, Y. and Mimura, T.
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 巻: 113 ページ: 3891-3896
  • DOI: 10.1073/pnas.1521959113
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Auxin-dependent compositional change in Mediator in ARF7 and ARF19 mediated transcription. (2016)
  • 著者名/発表者名: Ito, J., Fukaki, H., Onoda, M. Li, C., Li, L., Tasakam M. and Furutani, M.
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 巻: 113 ページ: 6562-6567
  • DOI: 10.1073/pnas.1600739113
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] RALFL34 regulates formative cell divisions in Arabidopsis pericycle during lateral root initiation. (2016)
  • 著者名/発表者名: Murphy, E., Vu, L.D., Lin, Z., Van den Broeck, L., Ramakrishna, P., van de Cotte, B., Gaudinier, A., Brady, S., Slane, D., Beeckman, T., Goh, T., Inze, D., Fukaki, H. and De Smet, I.
  • 雑誌名: J. Exp. Bot. 巻: 67 ページ: 4863-4875.
  • DOI: 10.1093/jxb/erw281
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Quiescent center establishment in Arabidopsis lateral root coincides with developmental phase transition to promote organ emergence. (2016)
  • 著者名/発表者名: Goh, T., Toyokura, K., Wells, D.M., Swarup, K., Yamamoto, M., Mimura, T., Weijers, D., Fukaki, H., Laplaze, L., Bennett, M.J., and Guyomarc'h, S.
  • 雑誌名: Development 巻: 143 ページ: 3363-3371
  • DOI: 10.1242/dev.135319
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Lateral root emergence in Arabidopsis is dependent on transcription factor LBD29 regulating auxin influx carrier LAX3. (2016)
  • 著者名/発表者名: Porco, S., Larrieu, A., Du, Y., Gaudinier, A., Goh, T., Swarup, K., Swarup, R., Kuempers, B., Bishopp, A., Lavenus, J., Casimiro, I., Hill, K., Benkova, E., Fukaki, H., Brady, S.M., Scheres, B., Peret, B. and Bennett, M.J.
  • 雑誌名: Development 巻: 143 ページ: 3340-3349
  • DOI: 10.1242/dev.136283
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] シロイヌナズナにおける側根形成の制御機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 郷 達明、深城英弘
  • 雑誌名: BSJ-Review 巻: 7 ページ: 220-229
  • DOI: 10.24480/bsj-review.7e3.00098
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 植物の進化発生研究における順遺伝学的解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 豊倉 浩一、深城英弘
  • 雑誌名: BSJ-Review 巻: 7 ページ: 269-278
  • DOI: 10.24480/bsj-review.7f2.00103
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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58回日本植物生理学会年会、鹿児島、2017.3、国内、ポスター発表
• [学会発表] 側根発生の3Dライブイメージングによる根端メリステム構築の解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 郷 達明，深城 英弘，Malcolm J. Bennett
  • 学会等名: 第68回日本細胞生物学会大会、京都、2016.6、国内、ポスター発表
• [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 遺伝子の発現制御機構の解析 (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: 日本植物学会 第80回大会、沖縄、2016.9、国内、ポスター発表
• [備考] 教員紹介webページ
  • URL: http://www.edu.kobe-u.ac.jp/fsci-biol/faculty/fukaki.html
• [備考] 研究室webページ
  • URL: http://www.research.kobe-u.ac.jp/fsci-fukaki/fukaki/fukaki_laboratory.html