植物の同種認証機構を生み出す分子メカニズムの解明

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19J20012
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 長江 拓也 名古屋大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
• 研究期間 (年度): 2019-04-25 – 2022-03-31
• キーワード: 種特異性 / 花粉管誘引 / リガンド受容体

研究実績の概要

植物が子孫を残すためには、雄組織である花粉管が雌しべ組織内の奥深くに存在する卵細胞付近まで誘引される必要がある。この花粉管誘引は、同種と近縁種の花粉管は見分け、同種同士での優先的な受精を引き起こすための同種認証機構として作用すると考えられている。しかし、この同種認証機構の分子メカニズムについては雌しべ内で花粉管を観察することが難しいこと、花粉管と雌しべの連続的で協調的な細胞間コミュニケーションによって生み出されれていると予測されるため今まで解析がほとんど進んでいない。
本研究の目的は、被子植物シロイヌナズナとその近縁異種を用いて(１)同種と異種の花粉管が雌しべ内の卵細胞にたどりつくまでの経路の違いを見出すこと、(２)この同種認証機構に関わる分子メカニズムの一端を明らかにすることを目指した。
(１)花粉管の化学組織染色に用いられてきたアニリンブルー染色を用いて、雌しべ内の花粉管を染色した後、深部観察が可能な二光子励起顕微鏡を用いて観察するための条件検討を行った。シロイヌナズナ、トレニアなどの雌しべ内を伸長する約30-100本の花粉管をそれぞれ区別して定量的な解析することが可能になった。シロイヌナズナ雌しべ内でシロイヌナズナとその近縁種の花粉管を観察したところ、異種の花粉管は雌しべ中心の花粉管の通り道である伝達組織に留まり続ける傾向が見られ、その後の誘引過程にも異常が生じていた。
(２)(１)で見出された種間の違いがどのような因子によって生み出されるかを絞り込むために、雌しべの発生に異常をきたす複数の変異体を用いて解析を行った。いくつかの変異体において、野生型めしべに比べ、花粉管が伝達組織内に留まりやすくなる傾向が見られた。今後は主に(２)の解析を進め、種特異性を生み出す組織、上流因子を絞り込んだ後、遺伝子発現解析を行うことで種認証機構の鍵となる候補を見出すことができると期待される。

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

申請時の計画では、コムギ無細胞系を用いて絞り込んだ組織に発現している分泌タンパク質を発現させて、活性評価を行うことで新規誘引物質の同定を行う予定であった。しかし、コムギ無細胞系ではタンパク質の発現が困難であったため、昆虫細胞を用いたタンパク質発現系を使用することで問題の解決を図った。昆虫細胞によって新規誘引物質を発現、活性評価することが可能となりつつあり、期待通り研究が進展したと考えられる。また、雌しべの助細胞に異種の誘引物質を発現させることで、発現させていない雌しべよりも異種花粉管の誘引率が向上した。これにより、助細胞からの分泌物質だけでin vivoでも花粉管誘引率を上昇させることができることが明らかとなり、同種を認証する機構について研究が進展していると考えられる。

今後の研究の推進方策

これまでに花粉管ガイダンス過程で種間差が生まれ、それによって異種よりも同種の受精効率が高いことが明らかとなってきた。またこれまでの研究によって、この花粉管ガイダンスの種間差には雌しべの助細胞で高い発現を示す転写因子とその下流にある分泌タンパク質が寄与していることが示唆された。一方で、これまでに花粉管ガイダンスに重要であると考えられてきた胚珠組織以外の雌しべ組織が種間差を生み出していることも明らかとなった。本年度は、雌しべの2倍体組織に着目してさらに種間差を生み出す組織の特定を進める。具体的には、柱頭・花柱・胚珠組織を欠損させたときの花粉管ガイダンス過程の観察する予定である。これら結果について査読論文を投稿する。